Н. — Мне в голову пришла одна занятная идея.

Л. — Вообще это довольно опасно, но тем не менее скажи, что тебя осенило.

Н. — Твоя шутка оказалась неудачной, моя идея как раз имеет целью устранить опасность. Речь пойдет об измерении напряжения на высоковольтных воздушных линиях, рассчитанных на 60 000 или 200 000 в. Внизу на расстоянии в несколько десятков метров от токонесущих проводников можно было бы расположить параллельно им провод, который будет выполнять роль второй обкладки конденсатора С₁ (рис. 8), вот и весь фокус!

Рис. 8. Емкостный делитель очень высоких напряжений: конденсатор С₁ образован высоковольтной линией и расположенным неподалеку от нее проводом.

Л. — Еще раз прими мои поздравления, дорогой Незнайкин. Твоя идея уже применяется. Однако ее практическое осуществление сопряжено с некоторыми трудностями (нужно всегда одинаково располагать вторую обкладку конденсатора C₁ относительно высоковольтного провода, учитывать наличие других высоковольтных проводников поблизости от интересующего нас провода). Своей идеей ты даешь мне повод рассказать тебе о преобразователях электрического поля. Описанное тобою устройство представляет собой один из таких преобразователей, но его можно применять лишь для переменных электрических полей.

Н. — А, да. Но прежде чем приступить к дальнейшему изложению, скажи мне все же, что ты подразумеваешь под «электрическим полем».

Л. — Очень просто — это состояние любого участка пространства поблизости от электрических зарядов, в результате чего на все помещенные в этот участок пространства электрические заряды воздействует определенная сила. Когда ты натираешь пластмассовую палочку, вокруг нее возникает электрическое поле, притягивающее легкие предметы. В электронной лампе между катодом и анодом существует электрическое поле, которое притягивает электроны к аноду.

Н. — Понимаю, но тогда моя система пригодна для всех полей. При измерении постоянного поля следует лишь воспользоваться одним из вибропреобразователей, о которых ты мне недавно говорил…

Л. — Какой ужас! Предположим, что мы сделаем предложенное тобой устройство (рис. 9). Я заменяю электрическое поле батареей с очень высоким напряжением U_вх, включенной последовательно с конденсатором С₁. При включении на некоторое время вибропреобразователя К конденсатор С₂ полностью разрядится и его заряд больше не восстановится; напряжение U_вых будет упорно оставаться равным нулю. Нет, вибропреобразователь для нашей цели совсем не годится; но ты прав, когда хочешь преобразовать нечто постоянное в нечто переменное, которое легче использовать; только преобразовывать в этом случае нужно не напряжение, а само электрическое поле.

Рис. 9. При получении напряжения с помощью емкостного делителя нельзя пользоваться методом замыкания — размыкания, изображенным на рис. 4.

Изнуряющая гимнастика

Н. — Это можно осуществить, если к заряженному проводнику, создающему поле, подносить и быстро отодвигать металлический предмет, соединенный с конденсатором С₁.

Л. — Идея хороша, но я не думаю, что тебе удастся осуществить движение этого металлического предмета туда сюда со значительной амплитудой и с частотой 50 колебаний в 1 сек; если же ты способен на такое, то тебе нужно выступать в цирке!

Лучше поместить соединенную с конденсатором С₁ металлическую деталь Р в металлический ящик В (рис. 10), а перед ним установить фигурный диск Д, приводимый в движение двигателем М. Диск то закрывает, то открывает отверстие О; деталь Р подвергается воздействию электрического поля, когда отверстие О открыто, и находится вне этого поля, когда отверстие перекрыто диском. На конденсаторе C₁ возникает переменное напряжение, и его остается лишь усилить с помощью усилителя, называемого электрометрическим, о котором мы еще поговорим.

Рис. 10. В ящик В помещен металлический элемент Р, расположенный перед отверстием О, открывающимся лишь в моменты, когда вращающийся диск Д открывает его. Таким образом модулируется воздействие электрического поля на Р.

Н. — В принципе это несколько напоминает мне метод, применяемый одним из моих друзей, работающим на циклотроне…

Л. — У него дома есть циклотрон???

Н. — Да нет, в Научно-исследовательском центре в г. Орсей. Там для измерения поля магнита используется небольшая катушка, помещенная на конце палки и вращаемая двигателем. Мой приятель замеряет наводимый в этой катушке ток.

Л. — Действительно, это классическая система для измерения постоянных магнитных полей. Впрочем, можно поступить иначе. Как ты знаешь, сталь и ферриты (магнитные окислы железа, имеющие структуру керамики) обладают одним свойством, которое обычно считается неприятным: они насыщаются в магнитном поле. Следовательно, достаточно поместить в магнитное поле стальной или ферритовый стержень, насыщение будет изменять магнитную проницаемость (стержень концентрирует магнитные силовые линии и повышает коэффициент самоиндукции катушки, в которую он введен). И теперь остается лишь определить эту проницаемость, для чего нужно просто измерить коэффициент самоиндукции катушки, надетой на стержень, и мы будем знать напряженность магнитного поля.

Н. — Но скажи мне, ведь если магнитное поле будет переменным, то это внесет порядочный хаос в твою систему с вращающейся катушкой или с переменным током, который ты несомненно используешь для измерения коэффициента самоиндукции?

Л. — Дорогой Незнайкин, ты просто ищешь трудности. При переменном магнитном поле катушку оставляют неподвижной и измеряют наведенное в ней напряжение.

Н. — Действительно, это проще. Итак, подведем итоги: ты говорил мне о преобразователях постоянного напряжения (вибропреобразователях), о преобразователях очень высокого напряжения (резистивных или емкостных делителях напряжения), о преобразователях электрических или магнитных полей (вращающейся катушке или насыщающемся феррите). О чем же ты расскажешь мне теперь?

Механические преобразователи

Л. — Я полагаю, что было бы интересно поговорить о преобразователях, чувствительных к механическим воздействиям.

Н. — Мне представляется, что силу можно измерить электрическим методом. Если изучаемую силу приложить к проволоке, на конце которой укреплена пружина, то в зависимости от величины силы пружина растянется больше или меньше. Если эту проволоку обернуть вокруг оси потенциометра, то с помощью электрических измерений можно определить, на сколько повернулась ось потенциометра.

Л. — Незнайкин, ты положительно находишься в прекрасной форме! Твою систему, правда в несколько измененном виде, часто используют: потенциометр заменен ползунком, скользящим по проволоке, имеющей высокое удельное сопротивление и намотанной на прямом стержне; при такой конструкции нет необходимости обматывать нить вокруг оси и ее привязывают непосредственно к ползунку.

Источник постоянного напряжения (рис. 11) подключен к описанному переменному резистору, а вольтметр V, соединенный с одним выводом этого резистора и ползунком, позволяет определить место, занимаемое последним, а следовательно, и определить силу через соответствующее напряжение. Но существует и другой, получивший очень широкое распространение тип преобразователя силы: проволочный тензометрический преобразователь.

Рис. 11. В зависимости от величины приложенной силы F ползунок потенциометра больше или меньше перемещается влево, благодаря этому величину силы можно определить по показаниям вольтметра V.

Н. — Название меня заинтриговало, но это должно быть дьявольски сложно!

Л. — Сложно лишь название. Видишь ли, Незнайкин, сопротивление проволоки изменяется, когда эту проволоку растягивают.

Н. — А! Теперь я понимаю, почему говорят: «Не тяните за выводы резисторов в приемнике», ведь это изменило бы сопротивление резисторов и…

Л. — О! Причина совсем не в этом. Прежде всего изменения сопротивления, о которых я говорил, составляют всего лишь несколько тысячных долей его первоначальной величины (максимум 0,5 %), а кроме того, эти изменения происходят по известному закону и только у резисторов, сделанных из металлической проволоки. Совет, который тебе дали и который я считаю очень разумным, имеет целью предотвратить механическое повреждение используемых для монтажа аппаратуры резисторов. Посмотри, наши измерительные резисторы сделаны из очень тонкой проволоки, укрепленной в виде зигзага на кусочке бумаги (рис. 12).

Рис. 12. Тензометрический преобразователь представляет собой проволоку с высоким электрическим сопротивлением, уложенную в виде зигзага и прикрепленную к листу бумаги.

Это приспособление наклеивают на деталь (обычно металлическую), которая подвергается воздействию силы, вызывающей деформацию, приводящую к внутренним напряжениям. Если деталь подвергается растяжению, то участок, где наклеен измерительный резистор, удлиняется; это же происходит с резистором, и его сопротивление изменяется.

Вопрос эластичности…

Н. — Любознайкин, но это совсем не годится! Ты говоришь мне о металлической детали…

Л. — Необязательно, это только наиболее распространенный случай.

Н. — Если бы ты сказал мне о резине, я охотно допустил бы, что она деформируется под воздействием силы, но о металле этого сказать нельзя.

Л. — Посмотри на этот металлический стержень; он совершенно прямой, если его держать вертикально. А теперь я перевожу его в горизонтальное положение и один конец зажимаю в тисках; ты видишь, что стержень прогнулся. Теперь ты вынужден признать, что расположенные сверху волокна металла удлинились, а расположенные внизу — укоротились.

Н. — Тебе не следовало говорить мне этого! Теперь, проходя по мосту, я всегда буду думать, что детали его настила удлиняются под моим весом.

Л. — До тех пор, пока ты не заставишь их превысить предел эластичности, их удлинение остается строго пропорциональным вызывающей его силе, и опасаться совершенно нечего. Мост рассчитан на большие нагрузки. А кроме того, к счастью для нашего преобразователя, провод которого без риска обрыва может удлиниться не больше чем на долю процента, удлинение изучаемой детали очень мало.

Н. — Допускаю, но меня беспокоит другое: ты мне сказал, что изменение сопротивления не превышает 0,5 %, а такое ничтожное изменение несомненно нельзя заметить по стрелке омметра.

Измерение малых изменений сопротивления

Л. — Разумеется, поэтому в этом случае пользуются не омметром. Измерения производят с помощью схемы, наводящей ужас на многих студентов последних курсов, ибо они не понимают простоты — моста Уитстона.

Н. — О, опять этот ужас! Я никогда не понимал этого отвратительного сооружения: четыре уравнения с четырьмя неизвестными…

Л. — Мы поступим иначе. Посмотри на схему, изображенную на рис. 13. Что это такое?

Рис. 13. Мост Уитстона состоит всего лишь из двух делителей напряжения. Напряжение между точками А и В равно нулю, когда мост сбалансирован (U_х = U_Q).

Н. — Здесь нет ничего таинственного: батарея и два делителя напряжения.

Л. — Хорошо, но можешь ли ты назвать величины напряжений U_Х и U_Q?

Н. — Хм… давай посмотрим. Кажется, я догадался, если воспользоваться схемой, представленной на рис. 5, то получим:

Л. — Незнайкин, 20 из 20![3] А теперь скажи мне, когда U_Х будет равно U_Q?

Н. — Ну разумеется, когда

Л. — Хорошо, а теперь следи за мной. Деля обе части уравнения на U_вх, я получаю:

В этой пропорции произведение крайних членов равно произведению средних членов, следовательно,

X(R₂ + Q) = Q(R₁ + X) или XR₁ + XQ = QR₂ + XQ.

Из обеих частей уравнения я вычитаю величину XQ и в результате получаю:

XR₂ = QR₁

Н. — До сих пор я уследил за тобой…

Л. — Вот и хорошо, а теперь остановись, расчеты закончены. Только что полученное выражение представляет собой условие равновесия (баланса) моста Уитстона, показывающее что в нашей схеме (а она и есть мост Уитстона) U_Х = U_Q. Это подтверждается тем, что чувствительный вольтметр, включенный между точками А и В, показывает нуль.

Н. — Согласен, мост Уитстона — это очень просто. Но что он даст нам для наших тензометрических преобразователей?

Л. — Представь себе, что R₂, Q и X — постоянные резисторы, a R₁ — резистор, чувствительный к увеличению длины. Мы начнем с уравновешивания моста путем воздействия на резисторы R₂ и Q. Тогда включенный между точками А и В вольтметр покажет нуль. Если сопротивление резистора изменится хотя бы и очень немного, напряжения U_Х и U_Q перестанут быть равными и стрелка вольтметра отклонится и возможно до самого края шкалы, если прибор очень чувствительный.

Н. — Изумительный метод! И до чего практичен этот резистор R₁, чувствительный к механическому натяжению проволоки, из которой он сделан!

Влияние температуры

Л. — Это было бы слишком хорошо; резистор чувствителен к температуре по крайней мере в такой же степени, как и к воздействию силы. Но в этом случае мост Уитстона проявил себя еще лучше; в X вводится идентичный R₁, но не подвергающийся механическому напряжению резистор. Его размещают рядом с резистором R₁ (рис. 14), чтобы он находился при той же температуре, но приклеивают к детали только одним концом (чтобы он не испытывал воздействия механических усилий). Изменение температуры одинаково сказывается на R₁ и X и не нарушает равновесие моста; и только удлинение проволоки резистора R₁ может вывести мост из равновесия.

Рис. 14. Тензометрический преобразователь R₁ наклеен на исследуемую деталь и подвергается тем же, что и деталь, деформациям. Резистор X приклеен только одним концом, поэтому он не подвергается воздействию силы, но находится в тех же температурных условиях, что и R₁, это позволяет скомпенсировать вредное влияние температуры на работающий преобразователь R₁.

Н. — Чертовски хитрый метод! Но досадно, что резистор X служит лишь для компенсации.

Л. — Можно сделать еще лучше. В рассмотренном ранее примере с металлическим стержнем верх стержня растягивается, а низ сжимается. Если мы укрепим (рис. 15) тензометрические преобразователи R₁ и X один сверху, а другой снизу, то температурное воздействие, как и раньше, будет скомпенсировано (если только верх стержня не нагрет больше, чем его низ), но увеличение сопротивления R₁ (удлиняется) в сочетании с уменьшением сопротивления X (сжимается) повысит чувствительность прибора. Можно было бы еще повысить чувствительность, если вместо резисторов R₂ и Q использовать тензометрические преобразователи и подвергнуть их воздействию растяжения и сжатия, наклеив их для этой цели в соответствующих местах исследуемой детали.

Рис. 15. При исследовании изгибающейся балки можно заставить компенсирующий тензометр X более активно участвовать в измерении: его наклеивают с другой стороны балки и он подвергается сжатию, а тензометр R₁ — растяжению.

Вибрирующие струны

Н. — Но признайся, Любознайкин, наверное иногда при использовании твоих тензометрических преобразователей приходится сталкиваться с определенными трудностями? Я имею в виду те случаи, когда измеряют механические напряжения (несомненно с помощью тензометрических преобразователей) на больших плотинах, где измерительные приборы сосредоточивают в одном месте, относительно удаленном от точек, где нужно измерить напряжения. При большой длине проводов температурные воздействия и различные утечки исказят все результаты.

Л. — Рассуждаешь ты абсолютно правильно. В слишком неблагоприятных условиях используют другое свойство натянутой проволоки: изменение ее резонансной частоты при изменении силы натяжения.

Н. — Каким образом? Делают колебательный контур из проволоки и конденсатора?

Л. — Ты не совсем угадал. Я говорю о механическом резонансе этой проволоки. Ты, конечно, видел и слышал, как скрипач настраивает свой инструмент: от натяжения струны изменяется нота. В нашем акустическом тензометр и чес ком методе (так называют технику измерения растяжений и сжатий) струна закрывается защитной металлической трубкой Т и помещается между полюсами магнита М (рис. 16).

Рис. 16. Натянутая вибрирующая струна помещена между полюсами магнита в защитной трубке Т. Под воздействием силы изменяется частота собственных механических колебаний струны, что позволяет измерить приложенную силу.

Струна может вибрировать в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля, когда по ней пропускают переменный ток, и тогда легко, даже издалека, измерить ее резонансную частоту. Можно, например, послать в струну очень короткий импульс тока, создающий эффект удара молоточка по струне пианино. Струна начинает вибрировать, но ее колебания затухают. При движении струны между полюсами магнита в ней возникает напряжение, частоту которого и измеряют. Это измерение легко произвести и на большом расстоянии. Таким образом, натянув струну между двумя точками, например, какой-либо балки, мы можем легко обнаружить любое изменение расстояния между этими двумя точками.

Н. — Таким образом мы располагаем еще одним преобразователем для измерения силы. Я полагаю, что на этом серия преобразователей закончилась?

Еще об измерении силы

Л. — Далеко не так. Попутно я назову тебе конденсатор, подвижная или деформируемая обкладка которого под воздействием приложенной силы может в большей или меньшей степени отходить от другой обкладки, изменяя тем самым емкость конденсатора. Можно также использовать изменение расстояния между двумя соединенными последовательно катушками: изменение коэффициента связи вызывает изменение самоиндукции всего устройства. Используя эти типы преобразователей, можно сделать генератор, частота которого модулируется изменяемым элементом. Стоит также назвать пьезоэлектрические кристаллы, в которых при механическом воздействии возникает электрическое поле. Из кристаллического материала (керамика, кварц или специальная соль) вырезают по правильному направлению кристалла пластинку и металлизируют ее с обеих сторон; когда такой конденсатор подвергают механическим воздействиям, на его обкладках появляется напряжение.

Н. — Я думаю, что с присущим тебе юмором ты сейчас объявишь мне, что все перечисленное тобой, от чего у меня уже начинает вспухать голова, всего лишь ничтожная часть перечня преобразователей, чувствительных к механическим воздействиям.

Л. — Незнайкин, когда-нибудь ты должен стать пророком-ясновидцем. О механических преобразователях можно было бы написать целые тома, но мне кажется, что ты начинаешь с беспокойством поглядывать на свои часы. Это несомненно связано с Поленькой и меня совершенно не удивляет.

Н. — Я вижу, что ты тоже большой мастер читать чужие мысли, и говорю тебе «до завтра».

Н. — Так, значит, нам нужно сосчитать импульсы, а их может быть очень много. Это не очень практично. Но ты мне сказал, что ионизация становится общей под воздействием напряжения труба — провод, а как же она тогда гаснет?

Л. — Полезное замечание. Действительно, если не предпринять специальных мер, она не погаснет. Для этой цели можно использовать электронную схему, называемую схемой гашения, которая после импульса ионизации значительно снижает напряжение на выводах счетчика и тем самым вызывает деионизацию. Но наилучшее решение заключается во введении в находящийся в колбе газ небольшого количества паров спирта или брома; тяжелые молекулы примеси своей инерцией вызовут деионизацию газа в счетчике сразу же после его ионизации, получится самогасящийся счетчик. Посмотри, я принес с собой такой счетчик. Я подаю на него питание, а к выводам резистора, по которому протекает ток центрального проводника, подключен вход усилителя. Громкоговоритель на выходе усилителя позволит нам услышать импульсы. Я подношу к нашему счетчику кусочек уранита (руды, содержащей радий и уран); слышишь, как часто следует один за другим щелчки?

Н. — Да, но звук производит странное впечатление, это не музыкальная нота. Несомненно причина в том, что звук порождается импульсами, а не синусоидами.

Л. — Совсем нет, Незнайкин. Распады ядер атомов подчиняются только закону случая. Может случиться так, что в одну секунду произойдет только один распад, а в следующую — десять. Эти импульсы следуют один за другим так же неравномерно, как стучат капли дождя по крыше. Но тем не менее можно установить средний темп в виде количества ударов в минуту (если за минуту происходит достаточное количество распадов, чтобы мог проявиться закон больших чисел).

Н. — А теперь убери подальше свой уранит. Постой, здесь наверное спрятано какое-то радиоактивное вещество — щелчки продолжаются, правда они стали очень редкими.

Космические лучи

Л. — То, что ты слышишь сейчас, Незнайкин, космические лучи, таинственные лучи, возникающие в верхних слоях атмосферы под воздействием прилетающих из звездного пространства частиц и падающих на нас, как непрерывный довольно слабый дождь. Они аналогичны гамма-излучению, но обладают большей проникающей способностью: несколько метров бетона не останавливает и 10 % космических лучей. Они причиняют много хлопот при измерениях, так как избавиться от них невозможно и приходится производить измерения с учетом наличия этих лучей, как если бы мы захотели производить измерения света, не имея возможности добиться в помещении полной темноты.

Н. — Но тебе не следовало этого мне говорить. Непрерывно пронизывающие меня насквозь лучи не способствуют хорошему настроению.

Л. — Успокойся, Незнайкин. Космические лучи пронизывают тебя точно так же, как всегда пронизывали все человечество, но мы себя от этого хуже не чувствуем.

Н. — Ну, ладно, но скажи мне, какие лучи можно обнаружить твоим счетчиком?

Л. — Все лучи, обладающие ионизирующими свойствами и достаточной проникающей способностью, чтобы достичь трубочки счетчика: все виды гамма-лучей, бета-лучи с достаточной проникающей способностью (особенно, если стенка колбы счетчика тонкая) и даже некоторые виды альфа-лучей, если на конце счетчика сделано тонкое окошко из пропускающего эти лучи материала, например из слюды. Во всяком случае счетчик Гейгера — Мюллера представляет собой высокочувствительный измерительный прибор: он начинает вырабатывать импульсы, значительно учащенные по сравнению с импульсами, вызываемыми космическими лучами, уже при очень низких уровнях радиации, не представляющих никакой опасности для человека, например при радиации от небольшого количества радиоактивной руды. Поэтому эти счетчики используют в геологической разведке и в научных исследованиях для обнаружения излучения.

Сцинтилляционный счетчик

Н. — Так, значит, счетчик Гейгера — Мюллера самый чувствительный прибор для обнаружения ядерных излучений?

Л. — Нет, его рекорд по чувствительности побит сцинтилляционным счетчиком.

Н. — Что это за прибор? Мне кажется, что ты уже упоминал о нем, когда рассказывал о фотоэлементах с умножением электронов?

Л. — Действительно. Здесь используется кристалл или кусочек специальной пластмассы, обладающей свойством давать вспышку света при попадании ядерной частицы. Этот кристалл помещается рядом с фото катодом фотоумножителя (рис. 32).

Рис. 32. Ядерные частицы проходят через черную бумагу или тонкий слой металла (их задача не пропустить свет) и попадают на кристалл. На каждую частицу кристалла воздействуют вспышкой света, обнаруживаемой фотоумножителем, на который наклеен кристалл.

Фото катод закрыт от воздействия постороннего света черной бумагой или каким-либо иным непрозрачным слоем, через который должны пройти частицы прежде, чем попасть на кристалл. Ток фото у множителя складывается из серии импульсов, средний ритм следования которых и замеряется. Этот метод настолько чувствителен, что он позволяет обнаруживать радиоактивные руды с движущегося автомобиля или с самолета, пролетающего над обследуемой местностью. Кроме того, сцинтилляционный счетчик на каждую частицу вырабатывает импульс, пропорциональный ее энергии, тогда как у счетчика Гейгера все импульсы одинаковые. Это свойство позволяет производить измерение энергетического спектра изучаемых частиц.

Об измерениях в ядерной технике можно было бы, разумеется, написать целые тома, но я полагаю, что для себя мы уже исчерпали эту тему.

Н. — Я с тобою не согласен и пока еще не чувствую себя истощенным… Ты ничего не рассказал ни об обнаружении нейтронов, ни об использовании изотопов, ни об ином, кроме техники безопасности, использовании измерений радиоактивности, как, например, в геологической разведке или в научных исследованиях.

Л. — Постараюсь ответить на твои вопросы по порядку. Начну с нейтронов; установлено, что, сталкиваясь с атомом бора, они вызывают серию ядерных реакций, сопровождающихся гамма-излучением. Поэтому для обнаружения нейтронов достаточно покрыть пластинку борной кислотой и поместить ее рядом с ионизационным или сцинтилляционным счетчиками.

Н. — В самом деле, это представляется мне очень простым.

Использование изотопов

Л. — Радиоактивные изотопы представляют собой вещества, искусственно создаваемые путем бомбардировки нормальных атомов колоссальным потоком нейтронов, получаемым, например, в ядерном реакторе. Эти нейтроны могут проникнуть в атом и врасти в его ядро. Полученный таким образом новый изотоп часто бывает неустойчивым и радиоактивным. Он повсюду сопровождает нормальное вещество, но испускает ядерные лучи, которые позволяют его заметить. Например, при нейтронном облучении в реакторе куска стали, скажем, поршневого кольца, образуются атомы радиоактивного изотопа железа. Измеряя радиоактивность масла, используемого для смазки двигателя, в котором установлено такое кольцо, можно определить степень его износа. С помощью радиоактивных изотопов удалось нанести на атомы своеобразную метку, и атомы перестали быть анонимными, как раньше. Метка позволяет посредством физических измерений следить за атомами, точно так же как кольцо с номером на лапке позволяет опознать почтового голубя. Таким же образом можно проследить распределение йода (к которому подмешано небольшое количество радиоактивного изотопа йода) при заболевании щитовидной железы; если обвести вокруг тела больного счетчиком Гейгера, то он покажет, где сосредоточен радиоактивный, а следовательно, и обычный йод. Я думаю, что этим я ответил на твой третий вопрос. Попутно отмечу, что радиоактивные изотопы используются для просвечивания непрозрачных для обычного света предметов.

Так, например, ты можешь измерить уровень жидкости в непрозрачном стальном баке, если с одной стороны поместить источник радиоактивного излучения, а другой стороны — счетчик Гейгера (рис. 33); чем выше уровень жидкости, тем сильнее поглощается излучение. Таким же образом можно измерить толщину выходящего из прокатного стана стального листа — достаточно лишь определить, какая часть ядерного излучения прошла через этот стальной лист.

Рис. 33. Даже в непрозрачном баке можно измерить уровень жидкости. В зависимости от высоты уровня жидкость больше или меньше поглощает ядерное излучение источника; прошедшее излучение измеряется счетчиком.

Н. — Этот метод представляется многообещающим.

Л. — У меня нет времени, а то я рассказал бы тебе об обнаружении изъянов в толще металла, об очистке, о медицинских и многих других областях использования радиоактивных изотопов. В заключении этого раздела я хочу рассказать тебе о преобразователях, чувствительных к химическому — воздействию.

Электрохимия ионов

Н. — Но в химии я не так-то силен.

Л. — Беда не велика. Тебе сейчас достаточно лишь знать, что химические реакции представляют собой не что иное, как электрические взаимодействия между различными ионами (сейчас я говорю только о химии растворов). Кислотой называют вещество, которое в растворе освобождает водородные ионы Н⁺, т. е. водородные атомы, потерявшие свой электрон.

Н. — Следовательно, это протоны.

Л. — Совершенно верно. И эти протоны горят желанием возвратить утерянный электрон, и чаще всего они забирают его у отрицательных ионов, обладающих избытком электронов. Например, в растворах имеются ионы, именуемые гидроксильной группой ОН^-, состоящие из одного атома кислорода, одного атома водорода и одного лишнего электрона. Эти ионы стремятся соединиться с ионами Н⁺.

Рис. 34. Если к двум опущенным в воду электродам приложить разность потенциалов, то ионы Н⁺ направятся к катоду, где получат недостающий им электрон и превратятся в водород. Это явление называется электролизом (ионы ОН^- отдают свой заряд на аноде и разлагаются с выделением кислорода).

Н. — и что получается в результате?

Л. — Просто-напросто вода Н₂О — нейтральное соединение. Молекулы воды в свою очередь имеют некоторую тенденцию распасться на ионы Н⁺ и ОН^-, но таких молекул крайне мало: чистая вода очень плохо проводит электрический ток.

Протекающую реакцию записывают следующим образом:

Двойная стрелка обозначает, что реакция может протекать в обоих направлениях, но происходит она преимущественно в направлении справа налево. На основе одного химического закона можно доказать, что произведение количества содержащихся в воде ионов Н⁺ (концентрация, обозначается | Н⁺|) на количество содержащихся в воде ионов ОН^- (обозначается | ОН^-|) всегда постоянно и равно | Н⁺| х | ОН^-| = 10^-14.

Н. — В самом деле, не очень много! Это составляет одну стотысячную одной миллиардной! Как же обозначают цифрами такие концентрации?

Л. — Их выражают в «грамм-ионах на литр» (г·ион/л), т. е. числом, показывающим, сколько раз 1 г ионов Н⁺или 17 г ионов ОН^- содержится в литре (что соответствует 6·10²³ настоящих ионов). Само собой разумеется, что взвесить ионы нельзя, так как нет возможности получить их в свободном состоянии. Но их количество можно определить косвенными методами. Например, можно возвратить ионам Н⁺ недостающие им электроны, в результате чего получится газ водород (рис. 34), объем которого можно замерить, а это даст нам и вес (примерно 1 г на 11 л).

Показатель pH

Н. — По твоему уравнению диссоциации количество ионов Н⁺ должно точно соответствовать количеству ионов ОН^-. Разве не так?

Л. — Да, если бы я не добавил в воду постороннее вещество. Ну и раз ты находишься на верном пути, скажи мне, какова концентрация ионов Н⁺ в чистой воде.

Н. — Это можно рассчитать. Если | Н⁺| = | ОН^-|, а их произведение равно 10^-14, то концентрация каждого из названных ионов составляет 10^-7.

Л. — Прекрасно. Если теперь я добавлю в воду кислоту, которая высвобождает большое количество ионов Н⁺, то концентрация ионов ОН^- снизится, потому что произведение | Н⁺| х | ОН^-| остается равным 10^-14. Чем больше ионов Н⁺, тем более выраженный кислотный характер приобретает раствор. Теперь принято измерять количество ионов Н⁺ в растворе и обозначать его логарифмом в сопровождении значка Н⁺, эту величину называют водородным показателем pH раствора.

Н. — О! Опять логарифмы! Они приводят меня в ужас.

Л. — Все это не так страшно. Запомни только логарифмы некоторых чисел:

Н. — Значит, логарифм всего лишь показатель степени числа 10?

Л. — Видишь, ты сам это понял. Когда говорят, что pH раствора, например, 6, это означает, что концентрация ионов Н⁺ в этом растворе составляет 10^-6. Ты знаешь, что очень чистая вода имеет показатель pH, равный 7. У кислых растворов показатель pH меньше 7…

Н. — Нет, ты ошибаешься! В кислых растворах концентрация ионов Н⁺ выше.

Л. — Подожди, Незнайкин, разве ты не согласен, что 10^-2 (или 0,01) все же больше, чем 10^-7 (или 0,0000001)?

Н. — Согласен, ты прав. Но скажи, пожалуйста, до какого уровня может опуститься показатель pH в очень кислых растворах?

Л. — При pH = 0 в растворе в каждом литре содержится 1 грамм-ион Н⁺. А так как концентрация этих ионов может быть немного выше, то величина pH может спуститься несколько ниже нуля — почти до —1.

И наоборот, в основных (или щелочных) растворах, куда добавили ионов ОН^-, концентрация ионов Н⁺ опускается ниже уровня 10^-7 и может дойти до 10^-14 (когда на каждый литр раствора приходится 1 грамм-ион ОН^-) и показатель pH может достичь 14.

Иногда показатель может еще повышаться почти до 15, но эти случаи носят скорее характер исключения, чем правила.

Измерение pH

Н. — Но тогда величину pH совершенно невозможно измерить?

Л. — Почему ты думаешь, что при высоких значениях pH, иначе говоря у щелочных растворов, труднее измерить этот показатель?

Н. — Да потому, что даже с помощью точных измерительных приборов невозможно измерить количество ионов, когда в литре их всего лишь 10^-12 или того меньше.

Л. — Ты совершенно прав, если пользоваться химическими методами (они бессильны уже при pH = 3). На практике же пользуются электрическими измерениями. Установили, что, когда тонкая перегородка из специального стекла разделяет два раствора с pH соответственно pH₁ и рН₂ (рис. 35), образуется электрическая батарея, э. д. с. которой примерно равна:

E = E₀ + 0,06·(рН₁ - рН₂),

где Е₀ — постоянная величина, зависящая от нескольких факторов.

Рис. 35. Разделяя тонкой стеклянной перегородкой (из стекла, с не очень хорошими свойствами изолятора) два раствора с разными pH, вызывают появление разности потенциалов, которая пропорциональна разности pH этих растворов.

Когда хотят измерить pH какого-нибудь раствора, в него опускают небольшой шарик из специального стекла, в который налит кислый раствор с известным pH и опущена платиновая проволочка. Это приспособление называют стеклянным электродом.

Н. — Любознайкин! Все имеет свой предел, ну, хватит надо мною смеяться! Ведь стекло прекрасный изолятор (к счастью для электронных ламп). Как можно сделать электрод из стекла, которое не проводит электрического тока?

Л. — Конечно из обычного нельзя, но ведь я тебе сказал, что для этой цели берут специальное стекло. Но даже такое стекло совершенно не годится для электрической проводки в твоей квартире. Высокое сопротивление стеклянного электрода — большой недостаток этого весьма практичного приспособления. Сопротивление составляет от 50 Мом до нескольких тысяч мегом.

Н. — Иначе говоря, это не проводник, а плохой изолятор. А как измеряют потенциал раствора?

Л. — Для этого в раствор опускают другой, так называемый эталонный электрод, который обычно состоит из цепочки: хлористый калий, хлористая ртуть (каломель), ртуть и платина. Этот каломельный электрод вместе с платиновой проволочкой и стеклянным электродом образуют электрический элемент, э. д. с. которого и замеряют. Электродвижущая сила элемента связана с pH исследуемого раствора линейной зависимостью

E = A + 0,06·рН,

т. е. изменяется на 60 мв на каждую единицу pH. Постоянная величина А зависит от каломельного электрода и от концентрации известного раствора в колбочке из специального стекла. Завод-изготовитель указывает эту величину в паспорте электродов.

Н. — Значит, нам остается всего лишь измерить электродвижущую силу этой батареи, и дело в шляпе!

Л. — Мне очень нравится твое «всего лишь…» Представь себе, какие проблемы возникают при измерении с точностью лучше 1 мв напряжения на клеммах батареи, внутреннее сопротивление которой может превышать 1000 Мом, Это удается осуществить лишь с помощью специального так называемого электрометрического усилителя.

Н. — Опять!.. Я начинаю думать, что фотоэлемент и электрометрический усилитель представляют собой два краеугольных камня электроники.

Окислительно-восстановительный потенциал

Л. — В нашей следующей беседе мы рассмотрим устройство электрометрических усилителей, которые действительно играют довольно важную роль в электронике. Но прежде чем мы доберемся до них, нам предстоит поговорить еще об одной важной величине в химии растворов — об окислительно-восстановительном потенциале (или о потенциале Редокса). Знаешь ли ты, что такое окислитель?

Н. — Да, в свое время мне объяснили, что окислителями называют вещества, способные выделить кислород или забрать из воды водород, чтобы выделить из нее кислород.

Л. — Приведенное тобой определение было совершенно правильно лет пятьдесят тому назад. Но и сейчас, к сожалению, его можно найти во многих современных книгах. На самом же деле общее и более правильное определение следующее: окислитель в растворе — это ион, который может сообщить другим ионам или атомам положительные заряды (или, вернее, забрать электроны). Так например, ионы железа, лишенные трех электронов и поэтому обладающие тремя положительными зарядами, имеют тенденцию захватить электрон и превратиться в ионы только с двумя положительными зарядами

Н. — Почему так? Почему бы им не захватить сразу три электрона и не стать опять порядочным металлическим железом?

Л. — Это тоже возможно, но ионы железа «жаждут» заполучить первый недостающий электрон и в значительно меньшей степени два других. Иначе говоря, ионы двухвалентного железа обладают определенной стабильностью, не свойственной ионам трехвалентного железа. Или, проще говоря, ионы трехвалентного железа голодны на электроны, но, проглотив первый электрон, они изрядно успокаиваются.

Н. — Хорошо, но в твоей формуле содержится еще кое-что, что меня удивляет. Почему реакция обратима?

Л. — Это очень просто, если ионы двухвалентного железа окажутся рядом с более голодным, чем ион трехвалентного железа, «пожирателем электронов» (окислителем), то произойдет реакция в направлении справа налево.

Н. — Мне очень понравилось выражение ионы, «голодные на электроны», но это определение носит скорее качественный характер. Как узнать, что один ион более голоден на электроны, чем другой?

Л. — Что я слышу, Незнайкин? Ты просишь меня перейти к количественному определению! Но успокойся, это, впрочем, очень просто. Если свести вместе ионы трехвалентного железа и ионы двухвалентного олова (с двумя положительными зарядами), то ионы трехвалентного железа будут восстановлены до состояния ионов двухвалентного железа, пока остаются ионы двухвалентного олова, которые могут окислиться до ионов четырехвалентного олова (с четырьмя положительными зарядами)

На этот раз реакция необратима, и она продолжается до полного исчезновения одного из исходных компонентов.

И, наоборот, если свести вместе ионы двухвалентного железа и ионы четырехвалентного церия (с четырьмя положительными зарядами), то они будут восстановлены до состояния ионов трехвалентного церия (с тремя положительными зарядами) и полностью окислят ионы двухвалентного железа

Следовательно, смесь ионов двух- и трехвалентного железа может окислять ионы двухвалентного олова и восстанавливать ионы четырехвалентного церия. Это показывает, что смесь Fe⁺⁺/Fe⁺⁺⁺ более жадна на электроны, чем смесь Sn⁺⁺/Sn⁺⁺⁺⁺, но менее жадна, чем смесь Се⁺⁺⁺/Се⁺⁺⁺⁺.

Каждую из этих смесей характеризуют потенциалом, который носит название окислительно-восстановительного потенциала и представляет собой просто-напросто разность между потенциалом опущенного в раствор индифферентного электрода и потенциалом этого раствора.

Н. — Почему пользуются индифферентным электродом?

Л. — Чтобы он обменивался с раствором только электронами, но не ионами. Для этого, как правило, берут платину; измеряют разность потенциалов «между платиновой проволочкой и раствором. Измерение производят с помощью эталонного электрода, чаще всего из каломели (рис. 36). Разность потенциалов может быть от —1 в (энергичные восстановители) до +2 в (очень сильные окислители).

Рис. 36. Для измерения окислительно-восстановительного потенциала раствора в этот раствор впускают индифферентный электрод из платины и эталонный электрод.

Н. — И для этих измерений тебе, естественно, понадобится электрометрический усилитель?

Л. — На этот раз нет. Внутреннее сопротивление электрода из каломели мало, внутреннее сопротивление раствора тоже, и поэтому можно ограничиться хорошим контролером. Но способный на сложную работу может выполнить и более простую, и поэтому обычно пользуются электрометрическим усилителем, который служит для измерения pH.

Н. — Мне в голову пришла идея, она, вероятно, идиотская, но тем не менее я хочу тебе рассказать о ней. По сути дела эти ионы Н⁺, иначе говоря протоны, жаждут захватить электроны, чтобы вновь стать водородом из порядочной семьи. Нельзя ли рассматривать их как небольшие окислители?

Л. — Они и есть окислители. Воздействие кислоты, иначе говоря ионов Н⁺, на металл представляет собой реакцию окисления металла. Можно связать теорию окисления с теорией воздействия кислоты, но это увело бы нас слишком далеко от нашей темы. Но ты видишь, насколько расширились твои «допотопные» представления об окислении?

Старые методы измерения pH

Н. — Просто безмерно. Но я полагаю, что показатель pH появился всего лишь несколько лет тому назад: ведь до широкого вторжения в нашу жизнь электроники, которая одна позволяет использовать стеклянный электрод, измерять этот показатель было невозможно.

Л. — И тем не менее это удавалось осуществить. Сначала пользовались красящими веществами, состав и цвет которых изменялись в зависимости от величины pH, как, например, метилоранж (гелиантин), имеющий красный цвет в среде с pH ниже 3 и желтый цвет в среде с pH выше 5. Использовали также так называемый водородный электрод, состоящий из платиновой проволочки, покрытой губчатой платиной и платиновой чернью (порошкообразный металл), на который непрерывно подают газообразный водород. Этот электрод обладает низким внутренним сопротивлением, но он неудобен в работе и чувствителен ко многим вносящим помехи явлениям, от которых свободен стеклянный электрод.

Существуют также бумаги, покрытые смесью красящих, веществ, которые при попадании на них капли раствора принимают окраску от красной до фиолетовой в диапазоне pH от 1 до 10.

Величину pH измеряют путем сравнения полученной окраски с эталонной цветной шкалой. Но в этом случае ты ограничен точностью в одну единицу, тогда как правильно проведенные измерения электрическим методом позволяют получить точность до одной сотой единицы pH.

Н. — А разве так важно знать pH с точностью до одной сотой?

Л. — Очень важно. Например, показатель pH крови имеет строго постоянную величину и даже очень ничтожные изменения свидетельствуют о серьезном заболевании.

Н. — О, как жалко, что у меня нет рН-метра для наблюдения за моим здоровьем!..

Л. — Правильно, но это ты мне уже говорил. Что еще можно сделать?

Н. — Но я ничего не вижу. Может быть уменьшить величину R₂?

Низкие сопротивления нагрузки

Л. — Наконец-то!.. Конечно, Незнайкин, нужно уменьшить R₂, чтобы реактивное сопротивление С (которое снижается с увеличением частоты) стало меньше сопротивления R₂ на как можно более высокой частоте. Широкополосные усилители обычно рассчитываются на низкое сопротивление анодной нагрузки. В нарисованном тобой усилителе усиление снижается на 3 дб на частоте 100 кгц. А если бы сопротивление нагрузки было не 100 ком, а 1 ком, снижение усиления на 3 дб произошло бы только на частоте 10 Мгц.

Н. — А уменьшив нагрузку до 10 ом, мы расширили бы полосу до 1000 Мгц!

Л. — В принципе ты прав. Но я готов поспорить с тобой на что угодно, что при анодной нагрузке с сопротивлением 10 ом усиление твоей лампы по напряжению будет значительно меньше единицы.

Н. — Какой ужас! Об этом-то я и не подумал. Но скажи, пожалуйста, ведь и с нагрузкой 1 ком усиление тоже не очень большое?

Полоса и усиление

Л. — Увы! Всякая медаль имеет свою оборотную сторону. Для улучшения дела используют пентоды с большой крутизной, что позволяет и при низком сопротивлении анодной нагрузки получить не такое уже малое усиление. Кроме того, используют известные коррекции, о которых ты уже мне говорил. В частности, можно включить небольшую катушку последовательно анодной нагрузке — параллельная коррекция (рис. 40, а); можно включить эту катушку последовательно с конденсатором связи — последовательная коррекция (рис. 40, б) или применить оба вида коррекции — комбинированная коррекция (рис. 40, в). С помощью этих коррекций, если они хорошо отрегулированы, удается почти удвоить полосу пропускания.

Рис. 40. Высокочастотную коррекцию усилителя можно осуществить с помощью катушки, включенной последовательно с анодной нагрузкой (а — параллельная коррекция), катушки, включенной последовательно с цепочкой связи между двумя каскадами (б — последовательная коррекция), или с помощью двух катушек (в — комбинированная коррекция).

Н. — И до какой частоты можно дойти при использовании всех этих средств?

Л. — Без особого труда удается сделать усилители с верхней границей до 30 или 50 Мгц. Можно еще больше расширить полосу, но для этого требуется особый усилитель, получивший название «усилителя с распределенным усилением»; это своего рода длинная линия с включенной в нее лампой, но о нем мы говорить не будем.

Н. — А можно ли устранить сдвиг фазы в такой широкой полосе частот?

Л. — Это невозможно, да, впрочем, и не нужно. Достаточно, чтобы сдвиг фазы был пропорционален частоте, но это не всегда легко осуществить.

Низкие частоты

Н. — Я догадываюсь, что последует дальше: после рассказа о способах расширения полосы пропускания усилителя в сторону высоких частот вполне логично заняться расширением полосы в сторону низких частот.

Л. — Правильно. Поэтому скажи мне, что ограничивает усиление твоего усилителя на низких частотах.

Н. — Нет ничего легче! Ограничения вносят реактивные сопротивления конденсаторов, особенно конденсаторов С₁ и С₂ в твоей схеме на рис. 37. конденсатор С₁ вводит отрицательную обратную связь, а С₂ плохо связывает два каскада. При желании бороться с этими неприятными явлениями я могу увеличить емкость этих конденсаторов.

Л. — Согласен, но возможности этого пути весьма ограниченны. Емкость конденсатора С₁ и так достигает нескольких микрофарад и значительно увеличить ее невозможно, даже если ты доведешь ее до 100 и особенно до 1000 мкф, то неизбежные в таких конденсаторах токи утечки могут влиять на напряжение смещения. Но перейдем к конденсатору С₂; я не советую тебе превышать 1 мкф, ибо в противном случае он станет слишком громоздким, а это приведет к значительным паразитным емкостям, не говоря уже о неизбежном токе утечки, который может сделать положительной сетку следующей лампы. Как видишь, этот путь не дает хороших результатов. Чтобы конденсатор С₁ не мешал, его лучше вообще убрать.

Изменим смещение

Н. — Как так? Ведь тогда потенциал катода перестанет быть постоянным и лампа не станет усиливать.

Л. — Позволь мне внести поправку: усиление уменьшится, но лампа будет продолжать усиливать. Своими действиями мы ввели напряжение (напряжение катод — корпус, вернее его переменную составляющую), которое вычтется из входного напряжения, т. е. создастся отрицательная обратная связь. А как ты знаешь, отрицательная обратная связь снижает усиление, но одновременно уменьшает искажения и шум, а также дает нам другие выгоды.

Н. — Я высокого мнения о положительных качествах отрицательной обратной связи, но тем не менее очень прискорбно потерять часть усиления, тем более что оно и без того значительно урезано из-за применения низкоомной анодной нагрузки, позволяющей пропустить высокие частоты.

Л. — Мы можем избежать потерь. Для начала можно соединить катод лампы с корпусом, а отрицательное напряжение смещения подать на сетку лампы…

Н. — И из нашей эпохи прогресса электроники ты возвращаешь меня к первым дням истории радио.

Л. — Незнайкин, эволюция техники знает любопытные примеры возврата к прошлому. Но чтобы как-то скрасить возникшее грустное впечатление, я познакомлю тебя с современным прибором — диодом Зенера (стабилитроном).

Н. — Раз современный, значит полупроводниковый.

Л. — Твое заключение правильно, хотя и пришел ты к нему совершенно нелогичным путем. Диод Зенера представляет собой плоскостной кремниевый диод, который при подаче положительного напряжения смешения ведет себя, как все диоды из порядочной семьи: он пропускает ток при минимальном падении напряжения на диоде около 0,7 в, которое почти не зависит от проходящего по нему тока. При подаче напряжения смещения обратного знака, т. е. отрицательного, наш новый знакомый запирается, как и все другие диоды, но в отличие от них при достижении обратным напряжением некоторой величины U_з,именуемой «напряжением Зенера», обратный ток начинает очень быстро возрастать без существенного увеличения напряжения на выводах диода.

Н. — Это своего рода пробой?

Л. — О, нет! Это совсем другое явление: в диоде не возникает никаких повреждений, если только не превысили максимально допустимого относительно большого значения тока. Напряжения Зенера могут заключаться в пределах от 3 до 200 в. При этом наилучшими считаются диоды с напряжением Зенера 8 в.

Н. — Очень занятно, но какое отношение имеет этот полупроводниковый прибор к усилителям?

Л. — Незнайкин, ты просто лишился воображения. Включи такой диод между катодом и корпусом усилителя (рис. 41). Катод будет иметь положительный и почти постоянный потенциал, потому что напряжение на выводах диода Зенера практически не зависит от проходящего по диоду тока, т. е. от анодного тока. У тебя отпадает надобность в конденсаторе, а следовательно, исчезнут и низкочастотные искажения.

Рис. 41. Диод Зенера поддерживает между катодом и корпусом постоянное напряжение U_K = |U₃| (напряжение Зенера), которое не зависит от катодного тока. Этот метод катодного смещения пригоден для самых низких частот.

Н. — Вот это здорово! Любопытный пример сотрудничества полупроводниковых приборов и ламп, которые обычно выступают как смертельные враги.

Л. — Нет, Незнайкин, полупроводниковые приборы лампам не враги, и их можно заставить прекрасно работать вместе. А теперь, когда мы полностью устранили неприятности, которые чинил нам конденсатор С₁, можно заняться и конденсатором С₂.

Прямая связь

Н. — Я предполагаю, что мы и его уберем из схемы.

Л. — И ты не ошибся, но необходимо проявить осторожность. Что произойдет, если анод первой лампы соединить непосредственно с сеткой второй лампы?

Н. — Любознайкин, ведь уже давно я предложил это тебе, но ты совершенно справедливо возразил, что слишком положительная сетка следующей лампы притянула бы к себе все электроны.

Л. — Но теперь, когда я сделал катод следующей лампы еще более положительным, чем сетка, этого не случится. Предположим, что анодное напряжение для питания первой лампы равно 100 в, что напряжение на ее аноде 60 в; тогда, если мы хотим иметь напряжение смещения на сетке второй лампы -4 в, нам нужно будет подать на ее катод напряжение 64 в.

Н. — А система получилась совсем неглупая! Какова же нижняя граница усиливаемой частоты — я не вижу ничего, что могло бы ее ограничивать?

Л. — Совершенно правильно; нельзя видеть то, чего нет! Предельная частота просто равна нулю. Мы получили усилитель постоянного тока: если на вход подать постоянное напряжение, то и на выходе получим такое же.

Н. — Чудесно. Но я вижу в твоей схеме один серьезный недостаток. Напряжение на катоде второй лампы +64 в, следовательно, напряжение анода значительно выше. А если этот анод соединить с сеткой третьей лампы, положение еще ухудшится…

Связь с помощью батареи

Л. — В этом действительно заключается главный недостаток этой системы, которая применяется только для двух или максимум для трех каскадов. Но что ты скажешь о схеме на рис. 42?

Н. — Любопытно! Более или менее обычная схема, но меня удивляет эта батарея, включенная в цепочку связи между анодом Л₁ и сеткой Л₂.

Рис. 42. Батарея с напряжением 64 в позволяет соединить сетку лампы Л₂ с анодом Л₁ и передавать постоянную составляющую.

Л. — Подумай. Она поддерживает на постоянном уровне разность потенциалов между анодом Л₁ и сеткой Л₂; потенциал сетки всегда —64 в относительно анода Л₁ и, следовательно, — 4 в относительно корпуса, когда потенциал анода Л₁ относительно корпуса составляет +60 в. Поэтому катод Л₂ можно соединить с корпусом.

Н. — Очень хитро. Это прекрасное решение проблемы создания многокаскадных усилителей постоянного тока.

Л. — Но оно далеко не идеальное. Прежде всего скажем, что батареи громоздки, много весят, дорого стоят, образуют с корпусом значительные паразитные емкости, а кроме того, истощаются.

Н. — Однако они ведь не отдают никакого тока.

Л. — О, знаешь ли ты, что иногда между рекламными заявлениями и реальной действительностью — целая пропасть. На каждый каскад требуется батарея и лучше заменить батарею небольшой неоновой лампой. Взгляни на схему рис. 43.

Рис. 43. Неоновая лампа Л₃, поддерживаемая в ионизированном состоянии, подключена через резистор к источнику — Е и играет такую же роль, что и батарея на рис. 42.

Когда по маленькой неоновой лампе Л₃ протекает не очень большой ток, на ее выводах поддерживается постоянное напряжение. Сетку лампы Л₂ подключают к источнику достаточно высокого отрицательного напряжения через резистор R₂, обладающий довольно большим сопротивлением. Таким образом заставляют ток проходить через лампу Л₃, поддерживая газ в ней в ионизированном состоянии. Этот ток очень мал по сравнению с анодным током лампы Л₁; неоновая лампа играет роль батареи со схемы на рис. 42. Подобную систему применяют преимущественно в последних каскадах усилителей с прямой связью.

Н. — В принципе твоя неоновая лампа действует как диод Зенера; почему бы не заменить ее одним таким диодом?

Л. — Вообще-то можно, но в схемах с довольно высокими напряжениями и малыми токами предпочтение следует отдать не диодам Зенера, а неоновым лампам. Однако надо учесть, что они обладают одним недостатком: полученное на выводах лампы Л₃ напряжение не совсем постоянно, ибо содержит переменную составляющую (ее называют напряжением «дыхания» или «свиста»); из-за этой помехи данным способом не следует пользоваться в первых каскадах усилителей с характерными для них низкими напряжениями сигнала.

Связь с помощью делителя напряжения

Н. — Что же тогда делать с первыми каскадами?

Л. — Сейчас я расскажу тебе о методе, который годится для всех каскадов. Для облегчения восприятия воспользуюсь числовым примером. Предположим (рис. 44), что напряжение на аноде Л₁ равно +60 в.

Рис. 44. Ток, протекающий по резистору R₂, создает падение напряжения 64 в и тем самым заменяет батарею, показанную на рис. 42.

Я соединяю анод этой лампы с сеткой следующей резистором R₂ сопротивлением 1 Мом, эта сетка через резистор R₃ сопротивлением 5 Мом подключена к потенциалу — 324 в. Так как сеточный ток в лампе Л₂ полностью отсутствует, один и тот же ток протекает по резисторам R₂ и R₃ (впрочем, этот ток по сравнению с анодным током лампы Л₁ очень невелик). Падение напряжения на выводах резистора R₃ в 5 раз больше падения напряжения на резисторе R₂. Обрати внимание, что полное напряжение на цепочке из двух резисторов R₂ — R₃ составляет 60 в + 324 в = 384 в. В этих условиях падение напряжения составит 64 в на R₂ и 320 в на R₃, а потенциал сетки лампы Л₂ относительно корпуса будет —4 в. Как ты видишь, резистор R₂ в известной мере играет роль неоновой лампы (см. рис. 43) или батареи (см. рис. 42).

Н. — Здесь я с тобой, Любознайкин, не согласен. Падение напряжения на этом резисторе нестабильное: если потенциал анода Л₁ увеличится, то в такой же мере увеличится и падение напряжения на резисторе.

Л. — Совершенно верно, но падение напряжения изменится в 6 раз меньше, чем изменится анодное напряжение. Иначе говоря, резисторы R₂ и R₃ образуют делитель анодного напряжения с отношением 5:6. Разумеется, что в этом случае на сетке лампы Л₂ мы получим лишь 5/6 переменной составляющей с анода Л₁, но будем иметь по крайней мере 64 в постоянного напряжения. На практике, конечно, не пользуются отрицательным напряжением — 324 в, а применяют принятые значения и соответствующим образом подбирают резисторы R₂ и R₃.

Н. — Система неплохая. Создавая прямую связь, мы начали с батареи, перешли на неоновую лампу и закончили резистором, т. е. шли по пути упрощения. Но в схеме есть один элемент, который меня беспокоит; в цепи сетки лампы Л₂ последовательно включен резистор R₂ сопротивлением 1 Мом, но он неблагоприятно повлияет на усиление высоких частот.

Частотная коррекция делителя

Л. — Изображенная на рис. 44 схема, конечно, гибельна для высоких частот. Но обычно все можно благополучно устроить, включив параллельно резистору R₂ небольшой конденсатор. Конденсатор нужно подобрать таким образом, чтобы произведение его емкости на сопротивление резистора R₂ было равно произведению паразитной емкости входа лампы Л₂ С_вх на R₃, тогда влияние резистора R₂ на высокие частоты будет устранено.

Если C·R₂ = C_вхR_з (или здесь С = 5·С_вх), то делитель напряжения R₂||C/R₃||С_вх «апериодический» (он одинаково пропускает все частоты). Описанное сейчас мною решение считается классическим. Но мне больше нравится другое, более хитрое, которое радисты упорно не хотят знать. Я нашел это решение в одном известном иностранном журнале по электронике, который, по моему мнению, читают очень много специалистов (но вероятно, только я обратил внимание на сообщение о названном решении).

Н. — Скорее объясни мне суть дела: я сгораю от нетерпения узнать от тебя секрет.

Компенсация отводом от анодной нагрузки

Л. — Этот «секрет» напечатан более чем в 50 000 экземпляров. Он заключается в следующем.

В усилителе, схема которого изображена на рис. 44, стараются получить на сетке лампы Л₂ переменную составляющую, которая была бы равна 5/6 того, что имеется на аноде лампы Л₁. Представь себе, что я сделал анодную нагрузку не из одного резистора R₁, а из двух последовательно соединенных резисторов R'₁ и R''₁ (рис. 45). Я могу так подобрать эти резисторы, чтобы сумма их сопротивлений имела такую же величину, что и R₁, а их величины соотносились бы между собой, как R₂ и R₃.

R'₁:R"₁ = R₂:R₃

Иначе говоря, в нашем конкретном случае должно быть:

R"₁ = 5·R'₁

В общей для обоих резисторов точке А переменная составляющая равна 5/6 той, которая имеется в точке В (благодаря делителю напряжения R'₁ — R"₁). Эту переменную составляющую с помощью конденсатора С достаточной емкости мы передадим на сетку лампы Л₂ (точка D); таким образом мы заставим потенциал точки D иметь переменную составляющую, равную 5/6 переменной составляющей в точке В, а именно к этому мы и стремимся.

Н. — Четыре твоих резистора образуют два делителя напряжения с одним и тем же коэффициентом; можно ли сказать, что это мост Уитстона?

Л. — Совершенно верно, а теперь я расскажу тебе о преимуществах этой системы. Прежде всего обрати внимание на то, что конденсатор С не обязательно должен иметь точно определенную емкость; достаточно, чтобы она была большой по сравнению с паразитной емкостью входа лампы Л₂ С_вх. В схеме же на рис. 44 нужно было подбирать емкость С в зависимости от паразитной емкости С_вх, следовательно, требовался подстроечный конденсатор. Однако величина С_вх может изменяться при замене лампы и даже у одной лампы при изменении смещения. В схеме на рис. 45 нет ничего похожего. Отпадает необходимость подключать к сетке полупеременный конденсатор (а это всегда сопряжено с неприятностями: такой конденсатор занимает много места, а кроме того, может привести к самовозбуждению схемы). В нашей же схеме достаточно раз и навсегда подогнать резисторы, и все готово; регулировка схемы останется хорошей при любом напряжении смещения и даже при замене лампы Л₂. Обычно я ставлю керамический конденсатор емкостью от 220 до 470 пф, он очень маленький и удобно размещается при монтаже.

Рис. 45. Чтобы показанную на рис. 44 связь сделать апериодической, соединяют конденсатором С точки А и D, замыкая накоротко диагональ уравновешенного моста, так как R'₁:R"₁ = R₂:R₃

Н. — Любознайкин, ты настолько меня убедил, что я намерен вступить почетным членом в «Ассоциацию по Распространению Схем с Прямой Связью с Отводом от Анодной Нагрузки» (АРСПСОАН).

Л. — Пока ограничься вступлением в «Ассоциацию Людей, Которые, Возвращаясь Домой, Не Будят Своих Родственников», потому что сейчас уже час ночи, а я не хочу, чтобы твоя мама меня ругала.

Н. — Какой ужас! Положительная сетка!

Л. — Не беспокойся. Сетка действительно положительная относительно корпуса, но катод будет еще более положительным вследствие вызываемого катодным током лампы падения напряжения на резисторе R. Следовательно, положительная относительно корпуса сетка будет отрицательной по отношению к катоду, «как принято в лучших домах» (именно так выразился бы один мой приятель).

Н. — Уф, я вновь начинаю дышать. Но скажи мне, пожалуйста, как понять, что катод будет более положительным, чем сетка?

Л. — Нет, только чуть-чуть, в противном случае смещение на лампе оказалось бы чрезмерным и не пропустило бы в резистор R тока, необходимого для создания на катоде потенциала U_вых выше, чем U_вх.

Н. — Кое-что в твоем ответе меня заинтриговало. Если потенциал катода поднимется слишком высоко, смещение лампы окажется очень большим и анодный ток уменьшится, что вызовет снижение потенциала катода. И наоборот, если этот потенциал снизится очень сильно, например ниже U_вх, то смещение лампы упадет (даже до нуля), а ток лампы вновь повысится и повысит потенциал катода. Ведь тогда схема должна генерировать, разве не так?

Катодный повторитель

Л. — Никоим образом. Вспомни принцип работы гетеродина: колебания возникают потому, что контур через цепь обратной связи так воздействует на себя, что любое возмущение имеет тенденцию усилиться (например, увеличение анодного тока делает сетку положительной). Здесь же все наоборот.

Обратная связь у нас не положительная (как в гетеродине), а отрицательная, и генерации колебаний поэтому не происходит. Но твоя реплика показала мне, что ты очень легко поймешь, какой интерес представляет эта схема. А чтобы тебе было легче рассуждать, возьмем конкретный пример: лампа 12АТ7 (крутизна 7 ма/в); анодное напряжение +300 в, U_вх = 50 в и R = 5 ком.

Если U_вых будет близко к 50 в, то проходящий по резистору R ток будет близок к 10 ма, а напряжение анод — катод будет около 250 в. Возьми семейство анодных характеристик лампы (рис. 48) и скажи мне, каким должно быть смещение, чтобы пропустить ток около 10 ма при напряжении на аноде 250 в?

Рис. 48. Это семейство кривых позволяет найти рабочую точку лампы в режиме катодного повторителя.

Н. — Подожди минутку, вот, нашел — ровно — 2 в.

Л. — Следовательно, наше напряжение U_вых будет 50 в + 2 в = 52 в и…

Н. — Но этого не может быть, Любознайкин; если на катоде будет 52 в, то тогда, во-первых, напряжение анод — катод было бы не 250 в, а 248 в, а, во-вторых, катодный ток был бы не 10 ма, а 52 в: 5 ком = 10,4 ма!

Л. — Если рассуждать со всей строгостью, ты, Незнайкин, прав. Вооружившись этими уточненными значениями, ты можешь еще раз заглянуть в семейство характеристик и посмотреть, какое напряжение смещения соответствует анодному току 10,4 ма при напряжении анод — катод 248 в; если взять точные цифры, то смещение будет 1,92 в вместо 2 в. Разница столь мала, что в дальнейшем в подобном уточнении значений нет надобности. Ты, надеюсь, не станешь придираться ко мне из-за одной десятой вольта?

Н. — Хорошо. Но что ты будешь делать с этими 51,92 в на выходе (чтобы доставить тебе удовольствие, скажу 52 в)?

Л. — Следи повнимательнее за моими рассуждениями. Предположим, что от этого источника 52 в я хочу потребить ток 2 ма. Что произойдет?

Н. — Я предполагаю, что выходное напряжение U_вых снизится, как напряжение любого источника, ток которого я потребляю.

Л. — Совершенно верно. А теперь меня интересует, насколько понизится это напряжение? Падение напряжения, обозначенное U_пад (иначе говоря, U_вых), соответствующее отсутствию потребления, равно 52 в, снижается до (52 в — U_пад), когда в цепочку, обозначенную на рис. 47 пунктиром, будет ответвляться ток 2 ма. Откуда поступают эти 2 ма?

Н. — Конечно из лампы.

Л. — Да, в значительной части. Раз потенциал катода снизился на U_пад, то соответственно снизилось и смещение.

Позволь напомнить тебе, что крутизна лампы 7 ма/в. Следовательно, анодный ток увеличится на: S х U_пад (крутизна лампы S = 0,007 a/в). Но ток в обозначенную пунктиром цепочку пойдет не только из этого источника. В самом деле, анодный ток лампы, несомненно, увеличился, но ток в R уменьшился, ибо U_вых снизилось: этот ток уже не 52 в/R, а (52 в — U_пад)/R, иначе говоря, проходящий по резистору R ток уменьшился на U_пад/R и этот ток тоже войдет составной частью в ток I = 2 ма, который я потребляю в нагрузке каскада. Следовательно, мы будем иметь:

подставив наши значения, получим:

откуда U_пад = 2:7,5 = 0,28 в.

Н. — Но это совсем мало!

Л. — Этим-то и интересна схема: она может выдавать ток на выходе без ощутимого снижения напряжения, иначе говоря, у нее низкое выходное внутреннее сопротивление.

Н. — А каково значение этого сопротивления?

Л. — Его очень просто рассчитать. Если ты потребляешь ток I от источника, то падение напряжения на его зажимах составит:

U = r_вн·I

где r_вн — внутреннее сопротивление источника. Следовательно, r_вн = U/I или в нашем случае 0,28 в:0,002 а = 140 ом.

Лучше пользоваться формулой  что при делении обеих частей уравнения на U_пад дает но левая часть равенства  а правую часть я могу записать в следующем виде  Таким образом

Как видишь, внутреннее сопротивление катодного повторителя эквивалентно параллельно соединенным R и 1/S.

Н. — Довольно необычно рассматривать 1/S как сопротивление!

Л. — Не очень. Ведь S — крутизна, и, следовательно, она выражается в амперах на вольт (вернее в миллиамперах на вольт). А значит, обратная ей величина 1/S выражается в вольтах на ампер, а что мы получим, разделив вольты на амперы?

Просто-напросто омы. Например, в рассмотренном нами случае S = 7 ма/в, следовательно, 1/S = 1: 0,007 = 143 ом; как ты сам понимаешь, при параллельном включении резистора R = 5 ком он не оказывает сколько-нибудь заметного влияния, так как его сопротивление в 35 раз больше сопротивления другой ветви.

Как ты видишь, Незнайкин, наша схема катодного повторителя имеет внутреннее выходное сопротивление 140 ом, тогда как каскад обычного типа, например с анодной нагрузкой 20 ком, имел бы внутреннее выходное сопротивление от 5 до 10 ком, так как нужно учитывать внутреннее сопротивление лампы, которое при расчете выходного сопротивления должно рассматриваться включенным параллельно с сопротивлением анодной нагрузки.

Достоинства низкого выходного сопротивления

Н. — Твои доводы я понял. Но я хочу задать один вопрос, который тебе, несомненно, покажется глупым: что ты выиграл от снижения выходного сопротивления своего каскада?

Л. — В твоем вопросе абсолютно нет ничего глупого. Я вновь все объясню, но скажи мне, пожалуйста, Незнайкин, зачем нужно тебе выходное напряжение?

Н. — Хм… да чтобы использовать его!

Л. — Совершенно верно. Однако «использовать» напряжение означает получать с его помощью ток. Если у источника напряжения (на выходе твоего усилителя) низкое внутреннее сопротивление, ты можешь забрать у него значительный ток без снижения напряжения.

Выходное напряжение, вырабатываемое источником с низким внутренним сопротивлением, мало чувствительно к различным помехам, как внешним, так и вызываемым изменением тока в цепи, подключенной к источнику. Так, например, в моей установке высококачественного воспроизведения звука насчитывается семь каскадов, собранных по схеме катодного повторителя. Один такой каскад установлен на самом выходе моего ЧМ-приемника; напряжение звуковой частоты (не более 1 в) поступает с источника, внутреннее сопротивление которого всего лишь 140 ом (а без этого каскада оно было бы не менее 10 ком). В этих условиях я могу позволить себе передавать низкочастотный сигнал по длинным проводам, например, к установленному на другой стороне дополнительному громкоговорителю. Их можно прокладывать рядом с трансформаторами питания, ибо провода, по которым идет низкочастотный сигнал, не «ухватят» никаких помех от сети 50 гц. Если бы, например, я захотел передать этот сигнал на сотню метров по экранированному проводу, то емкость провода из-за экрана составила бы около 10 000 пф.

А для самых высоких передаваемых частот (максимальная интересующая нас частота 20 кгц) реактивное сопротивление этого провода составляет около 800 ом. Для сигнала, поступающего от источника с внутренним сопротивлением 10 ком, эти 800 ом явились бы почти коротким замыканием, что привело бы к полной потере всех высоких частот и сильному искажению воспроизводимого звука. При моем же каскаде — катодном повторителе с его внутренним сопротивлением 140 ом эти 800 ом — можно просто не принимать во внимание: они внесут некоторый сдвиг фазы, ноне вызовут никакого ощутимого ослабления звука.

Н. — Да, но скажи мне… ведь твой каскад с катодной связью напряжения не усиливает?

Л. — Ты прав. Каскад с катодной связью не дает никакого усиления по напряжению (коэффициент усиления даже немного, меньше единицы), но «переписывает» входное напряжение, получаемое от генератора с очень большим внутренним сопротивлением, не способным давать большой ток; в результате мы получаем выходное напряжение, «обросшее мышцами», т. е. равное или почти равное входному напряжению, но в отличие от него способное давать значительный ток без ущерба для себя. Выходное напряжение стало «невозмутимым» — оно мало подвержено влиянию помех.

Биологическая аналогия

Н. — Совсем как мышь, ведущая слона на поводке!

Л. — Конечно, это очень модно! Только что в Булонском лесу я видел трех таких мышей, гуляющих со своими слонами!

Н. — Ты напрасно смеешься надо мной. Дай мне закончить, Любознайкин. Я вспомнил один цирковой номер, который мне однажды довелось видеть. Мышь бежала по бортику манежа и тащила тончайший поводок, завязанный на шее слона. А слон шел за мышью и старался удерживать без изменения натяжение поводка: шел быстрее, когда поводок натягивался, и замедлял шаг, если он провисал. Слон шел с такой же скоростью, что и мышь, но он даже не почувствовал бы препятствия, которое остановило бы его поводыря. Зрителям же казалось, что мышь тащит толстокожего ленивца, и они хохотали до упаду.

Л. — Я подозреваю, что эта история придумана тобою для пользы дела… Во всяком случае она показывает, что благодаря «слону-повторителю», ты хорошо понял принцип катодного повторителя.

Схемы на транзисторах

Н. — Это схема, которую можно сделать только на лампах — транзисторы здесь не годятся, потому что у них нет катода.

Л. — Нет, но у них есть эмиттер, выполняющий роль катода, и довольно часто делают схему с общим коллектором (рис. 49), которую также называют «эмиттерным повторителем». Я нарисовал схему для транзистора р-n-р. Для транзистора n-р-n нужно поменять напряжения на обратные, и мы получим схему, более похожую на ламповую.

Рис. 49. Каскад с нагрузкой в цепи эмиттера (схема с общим коллектором или эмиттерный повторитель) — транзисторный эквивалент ламповой схемы катодного повторителя.

Н. — Значит, по своим параметрам эта схема строго идентична схеме, приведенной на рис. 47?

Л. — Нет, только аналогична. В изображенной на рис. 47 схеме сетку обычно делают отрицательной относительно катода. Следовательно, никакого сеточного тока нет и возможное внутреннее сопротивление источника, дающего входное напряжение U_вх не учитывается.

В транзисторе имеется ток базы; он в β раз меньше тока коллектора (с приемлемой точностью можно сказать, что он также в β раз меньше тока эмиттера, так как последний очень близок к току коллектора). Если изменять ток эмиттера, то будет изменяться и ток базы; изменения последнего, естественно, будут в β раз меньше. Если дающий напряжение U источник имеет внутреннее сопротивление, то получаемый от него ток может вызвать изменение напряжения U. Следовательно, в эмиттерном повторителе выходное сопротивление зависит от выходного сопротивления источника, подающего в схему сигнал.

Можно сказать, что выходное сопротивление изображенной на рис. 49 схемы равно обратной величине крутизны транзистора (крутизна транзистора представляет собой частное от деления усиления по току на его выходное сопротивление при включении по схеме с общим эмиттером), увеличенной на частное от деления его усиления по току β на выходное сопротивление генератора, вырабатывающего напряжение U.

Н. — Вот это да! Как это сложно!

Пример эмиттерного повторителя

Л. — Совсем нет. И ты в этом сейчас убедишься на конкретном примере с числовыми значениями. Предположим, что внутреннее сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, равно 1 ком, а усиление по току β = 60. Следовательно, крутизна этого транзистора равна 60: 1000 или 60 ма/в. Если напряжение U подается от источника с низким выходным сопротивлением, то при изменении тока базы оно не будет изменяться. Выходное сопротивление, как и в ламповой схеме, будет величиной, обратной крутизне, т. е. 16,7 ом (я не учитываю сопротивление резистора R, которое следует рассматривать как включенное параллельно этому сопротивлению 16,7 ом).

Но если выходное сопротивление источника, дающего напряжение U, равно 2 ком, то на каждый израсходованный на эмиттере миллиампер расход на базе составит 1/60 ма, вследствие чего напряжение U снизится на

Это отразится на выходе (усиление по напряжению почти равно единице), и выходное сопротивление увеличится на , (напряжение снижается на 1/30 в на каждый потребленный миллиампер).

Следовательно, выходное сопротивление будет:

16,7 oм + 38 ом ~= 50 ом.

Н. — Значит, в схеме эмиттерного повторителя выходное сопротивление зависит от выходного сопротивления!

Л. — Схема эмиттерного повторителя значительно уменьшает эту зависимость, но не устраняет ее полностью как катодный повторитель.

Н. — Ну вот, видишь, транзисторы значительно уступают лампам.

Суперэмиттерный повторитель

Л. — Незнайкин!.. Если ты еще раз скажешь такую безобразную нелепость, я выставлю тебя за дверь и не покажу тебе транзисторной схемы «суперэмиттерного повторителя», не имеющего себе равного на лампах.

Н. — Как она устроена?

Л. — Схему я нарисовал тебе на рис. 50, а на рис. 51 схематически изобразил двухкаскадный усилитель, изучение которого поможет тебе понять схему на рис. 50. Ты видишь, что на схеме рис. 51 ток базы транзистора Т₁ (транзистор типа n-р-n) направлен от источника напряжения U; его величина I_б1. Ток коллектора I_к1 транзистора Т₁ идет в обратном направлении (оно показано стрелкой и соответствует условному направлению движения тока); следовательно, его можно взять непосредственно с базы транзистора Т₂ (I_к1 = I_б2) (транзистор типа р-n-р). Ток коллектора I_к2 транзистора Т₂ проходит по резистору R и создает выходное напряжение U_вых.

Рис. 50. Двухкаскадный вариант устройства с малым выходным сопротивлением.

Рис. 51. Двухкаскадный усилитель с большим коэффициентом усиления.

Н. — Должен признаться, что меня соблазняет простота схемы — один резистор на целых два транзистора.

Л. — Изображенная на рис. 51 схема дает очень большое усиление по напряжению. Коэффициент усиления легко подсчитать по формуле

k = S₁β₂R,

где S₁ — крутизна характеристики транзистора T₁, β₂ — усиление по току транзистора Т₂.

Например, при S₁ = 12 ма/в, β₂ = 50 и R = 500 ом коэффициент усиления по напряжению составит 300.

Если мы вычтем из напряжения U все выходное напряжение U_вых, чтобы приложить между эмиттером и базой транзистора T₁ только напряжение U' = U — U_вых, то получим усилитель с коэффициентом отрицательной обратной связи (мы к этому вернемся), равным 300; схема такого усилителя показана на рис. 50.

Входное сопротивление усилителя приближается к мегому (чудовищная величина для классических транзисторных схем), а выходное сопротивление меньше 1,5 ом; коэффициент передачи по напряжению достигает 0,997 (в лучших каскадах, собранных по схеме катодного повторителя, с трудом удается поднять этот показатель до 0,95).

Н. — В самом деле очень соблазнительно, однако эта история для меня не очень ясна. Почему раньше не сделали ее эквивалента в схемах на лампах?

Л. — Незнайкин, найди мне «лампу р-n-р», и я покажу тебе такую схему, но боюсь, что тебе придется очень долго искать. По правде говоря, на лампах можно сделать одну очень сложную схему, основанную на этом же принципе, и которая тоже дает интересные результаты.

Н. — Значит изображенная на рис. 50 схема называется «суперэмиттерный повторитель»?

Л. — Честно говоря, это название дал схеме я сам. Впрочем оно малоизвестно, и я подумываю, не дать ли ей новое и более выразительное название.

Если хотят изменить полярность

Н. — Но мне кажется, что все эти «суперэмиттерные повторители» наделены одним общим недостатком: их выходное напряжение может устанавливаться только в одном направлении; иначе говоря, его нельзя сделать положительным или отрицательным, как нельзя изменить и направление тока, который это напряжение может дать (ведь нельзя же изменить направление тока в лампе или в транзисторе).

Л. — Абсолютно верно, Незнайкин. Следует сказать, что во многих случаях приходится иметь дело с напряжениями, всегда имеющими одну полярность. Если ты пожелаешь сделать лучше, можно использовать «последовательную пушпульную схему». Я не стану описывать эту систему (схему) во всех подробностях, а объясню лишь ее принцип.

Два транзистора включаются последовательно (рис. 52): на коллектор транзистора Т₁ подается напряжение питания —Е, а на эмиттер транзистора Т₂ — напряжение +E. Со специального фазовращателя на базы подаются соответствующие токи так, чтобы, например, сумма токов коллекторов транзисторов Т₁ и Т₂ оставалась постоянной. Разность этих токов I₁ — I₂ проходит через нагрузку, создает напряжение U_вых. Эта разность может быть как положительной, так и отрицательной.

Рис. 52. Последовательный пушпульный каскад. В нагрузку поступает разность токов двух транзисторов.

Н. — Очень ловко придумано. А разве нельзя сделать аналогичное устройство на лампах?

Транзистор-пентод (без экранных сеток)

Л. — Можно, но не так легко. Чтобы лампы работали с хорошей отдачей, рекомендуется использовать пентоды, но возникают проблемы питания цепей экранных сеток. В схеме на транзисторах удается получить еще более низкие выходные сопротивления: при желании можно получить несколько ампер при низком напряжении. Я использовал эту схему для изменения направления вращения ротора маленького двигателя, установленного на управляемой по радио модели корабля. Эту же схему я использовал в своей установке высококачественного воспроизведения звука и получил нужную мощность, которая без выходного трансформатора подается непосредственно на 15-омный громкоговоритель. Если бы ты знал, как я был доволен, когда мне удалось убрать из схемы трансформаторы. Ведь они стоят ужасно дорого, весят много и занимают много места, не говоря уже о вносимых ими искажениях.

Выходное сопротивление и оптимальная нагрузка

Н. — Мы заканчиваем рассмотрение систем, снижающих выходное сопротивление, и я хотел бы задать тебе вопрос. Если выходное сопротивление каскада снизили, например, до одного ома, нужно ли нагрузить его одним омом, т. е. сделать так, чтобы он отдавал свою мощность в нагрузку с сопротивлением 1 ом. Вероятно, сделать такие низкоомные нагрузки трудно?

Л. — Незнайкин, ты меня радуешь. Ты в очень четких выражениях сформулировал ошибочное представление, сложившееся у многих радистов. Твое замечание порождено следующим рассуждением: если от генератора с внутренним сопротивлением r_вн хотят получить максимально возможную мощность, то к нему нужно подключить внешнюю нагрузку с точно таким же сопротивлением. Но очень часто случается так, что применить нагрузку R_н = r_вн невозможно — генератор ее не выдерживает. Так, например, батарея с электродвижущей силой 4 в и внутренним сопротивлением 10 ом отдает наибольшую мощность, если к ней подключают лампу, которая в нагретом состоянии имеет сопротивление 10 ом. Напряжение на клеммах батареи упадет до 2 в, по цепи пойдет ток 0,2 а и потребляемая лампой мощность составит 0,4 вт. При подключении другой лампы с сопротивлением меньше или больше 10 ом отдаваемая батареей мощность будет меньше 0,4 вт.

Но рассмотрим случай с аккумуляторной батареей — ее э. д. с. 6 в, а внутреннее сопротивление 0,03 ом (наиболее распространенные значения). Ты не можешь подключить нагрузку с сопротивлением 0,03 ом, так как в этом случае ток должен был бы достичь 100 а (напряжение на клеммах равнялось бы 3 в), а батарея этого не выдержит.

Ты подключишь, например, нагрузку 1 ом, которая потребует б а, а это вполне нормальный ток для аккумуляторной батареи.

Н. — Иначе говоря, в этом случае сопротивление оптимальной нагрузки не равно внутреннему сопротивлению: нагрузка определяется напряжением батареи и максимальным током, который она может дать.

Л. — Абсолютно верно. Ты усвоил принцип, и я могу уточнить некоторые моменты. Так, например, если усилитель, снабженный снижающим выходное сопротивление каскадом, имеет выходное внутреннее сопротивление 1 ом (или меньше), то на каждый отданный в нагрузку ампер выходное напряжение снизится на 1 в (или меньше). Но этот усилитель может быть рассчитан на работу с большим нагрузочным сопротивлением. Например, если его выходное напряжение 15 в, а максимальный допустимый ток 2 а, то для получения максимальной мощности, т. е. тока 2 а при напряжении 15 в, требуется нагрузка сопротивления 7,5 ом.

А когда на сцену выходит отрицательная обратная связь [особенно в каскадах, собранных по схеме катодного (эмиттерного) повторителя], нужно четко разделять: выходное сопротивление, представляющее собой частное от деления изменения напряжения, вызываемого потреблением энергии, на изменение выходного тока; оптимальное сопротивление нагрузки, которое обычно значительно превышает выходное сопротивление и определяется путем деления выходного напряжения на максимально допустимый выходной ток.

Н. — Понял, он должен признаться, что мое собственное внутреннее сопротивление несколько минут тому назад резко повысилось, и я предлагаю перенести продолжение нашей беседы на следующий раз.

Н. — Да, я вижу. Когда напряжение U_вх положительно, транзистор Т₂ заперт, а потенциал его коллектора U_K2 равен +Е. Но как найти величину его потенциала (U_K2)_мин, когда U_вх имеет отрицательный знак, иначе говоря, когда транзистор T₁ заперт?

Л. — Элементарно просто, дорогой доктор Уотсон…. прости…. Незнайкин! Если транзистор Т₂ пропускает ток, то можно считать потенциал его базы равным потенциалу его эмиттера; следовательно, мы можем считать, что потенциал эмиттера транзистора Т₂ равен нулю (равен потенциалу корпуса). Ток в резисторе R₃ равен U/R₃ и таким же будет ток коллектора (всегда следует предполагать, что в нормально работающем транзисторе токи коллектора и эмиттера равны). Значит, падение напряжения на R₂ будет

а минимальный потенциал коллектора Т₂:

Н. — А какую роль играет резистор R₁?

Л. — Он делает схему симметричной. Обычно сопротивление этого резистора равно сопротивлению резистора R₂. Можно также использовать напряжение коллектора Т₁, в качестве выходного напряжения, но это нецелесообразно, потому что одна площадка графика зависимости потенциала коллектора Т₁ (U_K1) от потенциала базы Т₁ (U_Б1) (рис. 60) не горизонтальна. В самом деле, когда U_вх имеет положительный знак, его изменения сказываются на величине тока Т₁.

Рис. 60. При использовании напряжения коллектора транзистора T₁, в качестве выходного напряжения схема хуже осуществляет ограничение сигналов, так как при положительном напряжении U_вх транзистор T₁ остается незапертым.

Как ты видишь, когда в этой схеме U_вх имеет отрицательный знак, Т₁ заперт и U_вх не влияет ни на U_K1, ни на U_K2. Когда U_вх имеет положительный знак, величина U_вх влияет на величину U_K1 транзистора Т₁,но не влияет на U_K2, так как Т₂ заперт.

Н. — В принципе эта схема не так уж симметрична, а затем я обнаружил у нее один недостаток: переход выходного напряжения с +U_K2мин до +Е происходит не так быстро, особенно в тех случаях, когда входное напряжение имеет умеренную величину (что довольно разумно для напряжения базы транзистора). А как называется твоя схема?

Л. — Название довольно странное: LTP — это сокращенный вариант английского выражения Long Tailed Pair (пара с длинным хвостом), отражающего наглядное представление пары транзисторов с длинным хвостом в виде большого резистора. Твое же замечание относительно скорости перехода напряжения от +U_K2мин до +Е совершенно справедливо. Иногда это явление мешает, но скоро мы увидим, как это препятствие можно устранить.

Использование второй базы

Н. — Еще одно не нравится мне в твоей схеме: база Т₂ исключительно глупо замкнута на корпус; она могла бы вести себя значительно умнее, если бы ее потенциал изменялся в обратном направлении по сравнению с потенциалом эмиттеров.

Л. — Твоя реплика вынуждает меня немедленно выложить тебе все подробности. В схеме имеется именно такой электрод, потенциал которого изменяется в обратном направлении по сравнению с потенциалом эмиттеров — взгляни на рис. 60.

Н. — Туннельный диод меня побери! Об этом-то я и не подумал. Теперь достаточно соединить коллектор Т₁ с базой Т₂ и будет чудесно!

Л. — Не спеши! Идея правильная, но прямо осуществить ее нельзя; коллектор Т₁ должен иметь положительный потенциал относительно эмиттеров и более высокий положительный потенциал относительно баз. Это можно сделать, как в схемах с прямой связью, о которых мы уже говорили, т. е. с помощью делителя, понижающего потенциал. В результате мы получим схему, изображенную на рис. 61.

Рис. 61. Дополнив схему на рис. 58 делителем напряжения R₄, R₅, соединяющим коллектор транзистора Т₁ с базой транзистора Т₂, превращаем ее в триггер Шмитта.

Новая схема, как и схема на рис. 58, работает с током в обоих транзисторах или при напряжениях U_вх, очень близких к нулю, и ведет себя как усилитель. Соединив коллектор Т₁ и базу Т₂ цепочкой из резисторов R₄ — R₅, мы вводим в схему положительную обратную связь. Небольшая обратная связь увеличивает усиление, а следовательно, увеличивает крутизну возрастающей части кривой на рис. 59. Если же положительная обратная связь становится слишком большой…

Н. — Знаю, устройство начинает генерировать.

Л. — Да, но здесь нет ни колебательного контура, ни переменной связи с помощью конденсатора. Поэтому произойдет опрокидывание. Такого состояния, когда оба транзистора дают ток, быть не может — один из транзисторов должен быть заперт.

Н. — И какой из двух станет жертвой?

Л. — Это зависит от величины U_вх. Предположим для начала, что U_вх имеет отрицательный знак; разумеется, что в этом случае запертым окажется Т₁. При увеличении напряжения U_вх до некоторой величины А транзистор Т₁ открывается, а Т₂ запирается. На этот раз очень приятно, что отпирание Т₂ происходит очень быстро и совершенно независимо от скорости, с какой напряжение U_вх проходит величину А, именуемую порогом.

Н. — Чудесно! Значит я могу повышать напряжение U_вх на 1 в в сутки, но когда напряжение пройдет величину А, опрокидывание схемы все равно произойдет быстро?

Л. — Конечно. Здесь имеется определенная аналогия с реле: можно медленно увеличивать ток в катушке и, когда ток достигнет нужного значения, реле сработает. В реле тоже действует положительная обратная связь: как только язычок реле начинает двигаться, воздушный зазор уменьшается и это усиливает магнитное притяжение.

Н. — А если я также медленно начну снижать напряжение U_вх, то когда оно вновь пройдет величину А, схема также резко опрокинется обратно?

Второй порог

Л. — Схема действительно резко опрокинется обратно, но это произойдет не при прохождении величины А, а при прохождении величины В меньшей, чем А. При первом опрокидывании схемы на коллекторе транзистора Т₁ высокий потенциал на базе Т₂, следовательно, тоже относительно высокий (это же относится к потенциалу эмиттеров). Поэтому для отпирания транзистора Т₁ напряжение U_вх должно подняться довольно высоко.

В отличие от этого при втором опрокидывании, соответствующем снижению потенциала базы транзистора Т_1, ток проходит через транзистор Т₁. Потенциал на его коллекторе низкий, потенциал базы Т₂ тоже; это же относится и к эмиттерам. В этих условиях транзистор Т₂ окажется вновь запертым только при более низком напряжении U_вх, а именно, когда оно достигнет величины В. Все происходит точно так, как в реле: когда язычок реле замкнул контакт, можно снизить ток в катушке значительно ниже уровня тока, потребовавшегося для срабатывания реле.

Н. — А что произойдет в твоей странной схеме, если напряжение U_вх будет держаться в пределах между А и В?

Л. — Моя странная схема называется триггером Шмитта. А если ты будешь удерживать значение напряжения U_вх между А и В, я не смогу сказать, в каком состоянии будет триггер. В этих условиях транзистор Т₁ может оказаться запертым, если напряжение U_вх достигло своего значения, поднимаясь с величины, меньшей В; но транзистор Т₁ может оказаться и открытым, если напряжение U_вх подошло к данному значению, уменьшаясь относительно величины, большей А. Все происходит, как в реле; если значение тока в катушке находится между током срабатывания реле I_с и его током отпускания I_о, я не могу определенно сказать, замкнут язычок реле или нет. Впрочем, если язычок не замкнут, нажми на якорь и язычок останется притянутым, а если он замкнут, оттяни якорь и язычок сохранит воздушный зазор.

Н. — Я не понимаю, зачем нужна твоя схема?

Л. — Схема интересна тем, что она не может находиться в промежуточном состоянии. У нее имеется два возможных устойчивых состояния и из-за этого свойства ее называют «бистабильной».

Н. — Но тогда для нее невозможно начертить кривую, показанную на рис. 59.

Гистерезисная характеристика

Л. — Ты ошибаешься — возможно, но немного сложнее. Для тебя я начертил такую кривую на рис. 62. Но это уже не простая кривая, а «петля». Если напряжение U_вх меньше В, все ясно — выходное напряжение равно U_к2 мин. Начнем повышать напряжение (следи за стрелкой на рис. 62): при прохождении U_вх значения А схема опрокидывается и выходное напряжение U_K2 «подскакивает» от (U_к2)_мин до величины +Е (здесь поднимающаяся ветвь строго вертикальна). Дальнейшее повышение напряжения U_вх никак не сказывается на выходном напряжении U_к2 — оно остается на уровне +Е. Начнем теперь снижать напряжение U_вх; при прохождении А ничего не происходит (продолжай следить за соответствующей стрелкой на рис. 62), когда же напряжение U_вх станет меньше В, схема вновь опрокинется.

Рис. 62. Кривая, характеризующая изменение напряжения коллектора транзистора Т₂ триггера Шмитта в зависимости от напряжения U_вх, свидетельствует о существовании явления, аналогичного гистерезису. Это уже не простая кривая, а петля.

Н. — Твоя кривая мне что-то напоминает… совершенно верно, она идентична петле гистерезиса ферритов, которые используются в запоминающих устройствах цифровых электронных вычислительных машин.

Л. — Оооохх!!!

Н. — Прошу тебя, не падай в обморок. Откровенно говоря, я недавно попытался прочитать популярную статью на эту тему и теперь имею некоторое представление о значении этих выражений.

Л. — Теперь мне лучше. Позднее я объясню тебе это несколько подробнее, но твое замечание было так верно, что у меня вдыхание перехватило.

Н. — А теперь, прежде чем идти дальше, я попросил бы тебя рассказать, как используется триггер Шмитта и при каких обстоятельствах прибегают к амплитудным ограничителям.

Применение триггера Шмитта

Л. — Сейчас я приведу один пример из практики. Видел ли ты на выставках системы с фотоэлементом, считающие посетителей?

Н. — Видел. В проходе установлен фонарь, посылающий луч света на небольшую коробочку, в которой должно быть находится фотоэлемент. При входе посетитель прерывает луч света.

Л. — Правильно. В такой установке при отсутствии посетителей никогда нельзя знать интенсивность попадающего на фотоэлемент света, так как световой поток от лампы может изменяться (немного со временем и значительно больше от колебаний напряжения сети). А когда посетитель перекрывает собой луч света, остаточный свет также не достаточно известен (на фотоэлемент всегда попадает сбоку некоторое количество света от других источников).

Н. — И особенно, если посетитель немного прозрачен!

Л. — Установка не рассчитана для подсчета полупризраков. Во всяком случае, как ты видишь, поступающий в фотоэлемент сигнал точно неизвестен. Поэтому представляется целесообразным установить на выходе фотоэлемента триггер Шмитта; благодаря ему мы получим совершенно определенный выходной сигнал «все или ничего». Кроме того, сигнал будет иметь крутые фронт и спад, что очень важно, если мы захотим превратить сигналы в короткие импульсы, которые я тебе скоро покажу. При необходимости лишь «подрезать» сигналы сверху, можно ограничиться схемой LTP с рис. 58 или даже простым транзисторным усилителем с очень сильной перегрузкой. Как ты видишь, на рис. 63 нагрузочная прямая пересекает характеристику при I_{б. э} = 0 в точке А и характеристику при I_{б. э} = 100 мка, например, в точке В. В точке А транзистор почти заперт (проходит лишь ток утечки), а в точке В транзистор находится в состоянии насыщения; он может пропустить значительный ток коллектора при разности потенциалов коллектор — эмиттер 0,1 в или даже меньше. Если мы сделаем так, что в усилителе выходной транзистор будет возбуждаться током базы, то снижающимся до нуля (и возможно даже изменяющим направление), то значительно превышающим 100 мка, выходное напряжение будет очень хорошо ограничено сверху и его размах (или удвоенная амплитуда выходного напряжения) будет практически равен напряжению £ питания последнего каскада.

Рис. 63. Про транзистор, на который напряжение питания Е подается через резистор R, говорят, что он находится в состоянии насыщения (точка В), если на его базу поступает достаточный ток. Он может также быть запертым или почти запертым (точка А).

Н. — Просто чудесно, пропускать значительный ток при напряжении 0,1 в! О достижении такого результата на лампах и речи быть не могло!

Пентод против транзистора?

Л. — Пентод позволяет получить близкий к этому результат, так как анодный ток имеет большое значение даже при очень низком потенциале анода (потенциал анода может быть существенно ниже потенциала экранирующей сетки). Потенциал, понятно, не может опуститься до 0,1 в, но не следует забывать, что в жизни все относительно: рабочие напряжения у пентода значительно выше, чем у транзистора, и снижение анодного напряжения до 5 б при напряжении питания 300 в дает такое же соотношение, как и 0,1 в при напряжении питания 6 в. Само собой разумеется, что при использовании триодов получить такое ограничение сигнала немыслимо.

Н. — Но тем не менее в семействе характеристик триодов имеется характеристика, снятая при напряжении смещения, равном нулю, — она соответствует максимально возможному анодному току. Разумеется, это не позволит нам снизить почти до нуля анодное напряжение, но ограничение сигналов будет иметь место.

Л. — Нет, Незнайкин, нулевому смещению соответствует совсем не максимальный ток. Например, ток увеличится, если сетку сделать положительной. Конечно, такой способ не очень-то рекомендуется, но все же применяется (в частности, в пушпульном каскаде, работающем в режиме АВ₂). Некоторые специалисты говорили об ограничении сверху сеточного напряжения с помощью сеточного тока, если последовательно сетке включить резистор. Такое устройство напоминает изображенную на рис. 54 схему амплитудного ограничителя, если бы в ней поменяли полярность диода. Но это плохой способ.

Само собой разумеется, что ни один из этих способов ограничения сигналов сверху не позволяет получить такие крутые фронт и спад сигнала, как с помощью триггера Шмитта.

Об использовании крутых фронтов

Н. — Но почему ты придаешь такое значение крутизне фронта и спада сигнала? Из эстетических соображений?

Л. — Совсем нет. Это необходимо, если мы захотим вновь деформировать наш прямоугольный сигнал, на этот раз путем дифференцирования.

Н. — Ой, ой! В «дифференцировании» несомненно участвуют «дифференциалы», и это начинает меня сильно беспокоить.

Л. — Для беспокойства совершенно нет причин. Знаешь ли ты цепь, изображенную на рис. 64?

Рис. 64. Этот фильтр верхних частот называют дифференцирующей схемой. Он пропускает крутые фронты напряжения U_вх, но искажает пологие участки этого напряжения.

Н. — Нет… прости, да! Это та самая цепь, которую включают между анодом одной лампы и сеткой следующей лампы, чтобы задержать постоянную составляющую и пропустить переменную.

Л. — Верно. Что произойдет, если на вход этого фильтра подать напряжение, изменяющееся, как показывает график на рис. 65: напряжение продолжительное время держится на одном уровне (равно нулю), а затем резко возрастает до величины А и бесконечно долго остается на этом уровне?

Рис. 65. Кривая скачкообразного изменения напряжения, приложенного на вход схемы, изображенной на рис. 64.

Н. — Ответить чрезвычайно сложно. Я могу только сказать, что пока подаваемое на вход напряжение имеет постоянное значение, выходное напряжение останется равным нулю. А вот что произойдет' потом…

Л. — Ты можешь сказать мне еще одну вещь: каким будет выходное напряжение спустя много времени после резкого изменения входного напряжения?

Н. — Если подождать довольно долго, выходное напряжение должно стать равным нулю, потому что входное напряжение опять имеет постоянное значение. А вот… U_вых. всегда равно нулю!!!

Л. — Не торопись! До скачка U_вх выходное напряжение равно нулю, и много времени спустя после скачка оно вновь равно нулю, но в момент скачка входного напряжения все обстоит иначе. Предположим, что скачок происходит за время, равное нулю. Скажи, на сколько может зарядиться конденсатор за время, равное нулю?

Н. — Дай подумать. Чтобы зарядиться, конденсатор должен получить некоторое количество электрической энергии. Чтобы получить энергию за равное нулю время, ток должен быть бесконечно большим. Но тогда разве он может зарядиться?

Л. — Скажи «совсем не может», и ты будешь прав. Никогда не забывай, Незнайкин, что: «Напряжение на выводах конденсатора не может измениться на конечную величину за равное нулю время».

Н. — Хорошо, твое правило я попрошу высечь на мраморе своего камина. Но какое отношение имеет оно к нашей задаче?

Л. — Просто-напросто оно дает нам решение. Какое напряжение было бы на конденсаторе С перед скачком U_вх?

Н. — Хм… Нуль, потому что U_вх и U_вых были равны нулю.

Л. — Совершенно верно. Перед самым скачком U_вх заряжающее конденсатор напряжение было равно нулю. А каким оно стало сразу после скачка U_вх?

Н. — Твои подчеркивания «перед самым скачком» и «сразу после скачка» заставляют меня думать, что интервал между этими двумя моментами времени равен нулю. Применив твое замечательное правило, я должен сделать вывод, что заряд конденсатора имеет такую же величину, т, е. нуль.

Л. — Превосходно. Двадцать из двадцати. Однако сразу же после скачка U_вх потенциал левой обкладки конденсатора С повысился до величины А. До какого уровня тогда поднимется потенциал правой обкладки?

Н. — Разумеется, до величины А, потому что конденсатор С был разряжен. Но тогда… по резистору R должен пройти ток, а это невозможно, так как конденсатор не может пропустить ток!

Л. — Не увлекайся. Да, сразу же после скачка входного напряжения по резистору R пойдет ток, и в начале его величина будет A/R. Ведь конденсатор имеет полное право пропустить ток, если этот ток заряжает, произойдет следующее: по мере заряда конденсатора С ток в резисторе R будет снижаться.

Н. — И, если подождать достаточно долго, С зарядится до напряжения А, после чего в R не будет тока, и U_вых вновь станет равно нулю.

Постоянная времени

Л. — О, Незнайкин, как быстро ты все понимаешь сегодня! Выходное напряжение изменяется так, как я показал на рис. 66.

Рис. 66. Форма напряжения на выходе дифференцирующей схемы, на вход которой подается скачкообразно изменяющееся напряжение, изображенное на рис. 65. Пунктирной линией обозначена форма напряжения при малом произведении (RC)₃, сплошной — при среднем (RС)₂ и штрих-пунктирной — при большом (RC)₁.

Скорость снижения напряжения определяется произведением R на С, которое называется постоянной времени схемы и выражается в секундах (при С в фарадах и R в омах). В самом деле, чем больше емкость конденсатора С при данном сопротивлении R, тем медленнее он заряжается; чем больше сопротивление резистора R (при данной емкости С), тем больше времени требуется на заряд конденсатора. Можно легко доказать, что по истечении времени, равного постоянной времени RC, выходное напряжение падает примерно до 37 % величины А. По истечении удвоенного такого отрезка времени RC выходное напряжение составляет только 13,5 % величины А, после утроенного времени RC можно сказать, что выходного напряжения уже совсем нет, так как напряжение упало до 5 % величины А. Если произведение RC невелико, выходное напряжение изменяется, как показано пунктирной линией на рис. 66; при большой величине RC кривая принимает форму, показанную на рис. 66 штрих-пунктирной линией. При очень малой величине произведения RC кривая выходного напряжения имеет вид короткого сигнала импульсного типа (рис. 67).

Рис. 67. Короткий импульс, получаемый на выходе дифференцирующей схемы с малым произведением (RC)₃ при подаче на ее вход скачкообразно изменяющегося напряжения.

Н. — Хорошо, это я понял. Но напряжение, получаемое на выходе триггера Шмитта или амплитудного ограничителя, имеет совсем не такую форму, как на рис. 65. Оно состоит из чередующихся фронтов и срезов. Скажи, пожалуйста, что получится, если это напряжение (рис. 68, а) подать на вход схемы, изображенной на рис. 64.

Л. — Фронт и срез — практически одно и то же, различие между ними лишь в направлении изменений. На выходе схемы срез даст нам отрицательный импульс (рис. 68, б).

Рис. 68. Прямоугольный сигнал (а) представляет собой периодическую последовательность резких подъемов и спадов. Дифференцирующая схема с малой постоянной RC превращает этот сигнал в чередующиеся положительные и отрицательные импульсы (б).

Н. — В сущности это очень просто. Теперь я понимаю, почему ты так стремишься получить крутые фронт и срез: при медленном изменении напряжения конденсатор С успел бы зарядиться и перестал передавать изменения входного напряжения. Но и в этих условиях можно получить хороший результат, достаточно увеличить R или С (или обе величины) и тогда конденсатор С будет мало разряжаться во время изменения сигнала.

Л. — Незнайкин, ты сегодня определенно в прекрасной форме, но будь осторожен; если ты увеличишь произведение RC, может случиться, что между двумя сигналами конденсатор С не успеет полностью зарядиться; тогда выходное напряжение примет такую форму, которую я изобразил для тебя на рис. 69. Поэтому нужно сделать постоянную времени RC большой по сравнению с длительностью сигнала и малой по сравнению с периодом сигнала. Чем меньшую часть периода занимает сигнал, тем легче подобрать постоянную времени RC.

Рис. 69. Если постоянная времени RC-схемы достаточно велика по сравнению с периодом сигнала, то выходное напряжение принимает иную форму. Конденсатору С не хватает времени полностью зарядиться.

Н. — Бедный сигнал, его совсем лишили человеческого лица! Исходную синусоиду (можно предположить, что сначала наш сигнал имел именно такую форму) с помощью триггера Шмитта превратили в прямоугольные сигналы, а затем в короткие импульсы с помощью твоей схемы с рис. 64… кстати, как называется эта схема?

Интегрирующая схема

Л. — Ее называют дифференцирующей схемой. Как видишь, ты напрасно испугался этого названия. Но мы на этом не остановимся, ибо сигнал можно подвергнуть и другим деформациям. Что ты думаешь о схеме на рис. 70? Ее название я скажу тебе потом.

Рис. 70. Фильтр нижних частот, используемый в качестве интегрирующей схемы.

Н. — Это та же самая схема, что показана на рис. 64, только ты поменял местами R и С.

Л. — Но эта деталь все изменяет! Что мы получим на выходе схемы, если на ее вход подадим прямоугольные сигналы?

Н. — Здесь имеются резистор и соединенный с ним последовательно конденсатор, поэтому мы возможно получим то, что ты раньше нарисовал на рис. 68, б.

Л. — Какой ужас! Ведь я тебе объяснил, что «напряжение на выводах конденсатора не может измениться на конечную величину за равное нулю время». Но посмотри, Незнайкин, если на вход схемы (см. рис. 64) подать прямоугольные сигналы (см. рис. 68, а) и если на выходе, т. е. на выводах резистора R, получим сигнал, изображенный на рис. 68, б то на выводах конденсатора должен быть такой сигнал, который, будучи прибавленным к сигналу на рис. 68, б, даст сигнал, показанный на рис. 68, а.

Н. — Ты хочешь сказать разность этих двух сигналов? Хорошо, я могу найти ее графически. Подожди минутку… интересующий тебя сигнал я начерчу на рис. 71.

Рис. 71. При подаче на вход интегрирующей схемы прямоугольного сигнала с большим по сравнению с постоянной времени RC периодом на выходе получают сигнал с округленными фронтами, очень мало похожий на входной сигнал.

Л. — Очень хорошо. Как ты видишь, на выводах конденсатора находится тот самый сигнал, который мы получим на выходе схемы, приведенной на рис. 70. Этого можно было ожидать. При изменении входного сигнала сигнал на выходе реагирует не сразу, так как требуется некоторое время, пока конденсатор С зарядится до нового напряжения.

Н. — Фронты и срезы твоего прямоугольного сигнала стали наклонными и округленными. Для чего нужен такой сигнал?

Л. — Такой сигнал, как ты нарисовал, действительно не представляет большого интереса. Но предположим, что я увеличу произведение RC. Как при этом изменится форма сигнала на выходе?

Н. — Я предполагаю, что конденсатор С получит меньше тока (он увеличился и его потребности возросли), и поэтому он не успеет зарядиться к моменту прихода второго сигнала. Вероятно, в результате получим сигнал, форма которого показана на рис. 72.

Рис. 72. При большей величине RC конденсатор С не успевает полностью зарядиться между двумя изменениями напряжения.

Л. — Ты прав. Если еще увеличить RC, то выходное напряжение будет изменяться мало и выходной сигнал примет форму, изображенную на рис. 73.

Рис. 73. При дальнейшем увеличении произведения RC амплитуда выходного сигнала уменьшается.

Зубья пилы для пилки дерева

Н. — Смотри, твоя кривая состоит из прямых отрезков!

Л. — Так оно и есть. Выходное напряжение по сравнению с входным мало, и можно сказать, что напряжение на выводах резистора R в интервалах между переходами почти постоянное. Следовательно, зарядный (или разрядный) ток остается почти постоянным и конденсатор С заряжается (или разряжается) почти линейно. Чтобы ты мог лучше видеть форму напряжения на выходе, я увеличил масштаб полученной кривой по вертикали (рис. 74).

Рис. 74. Если выходной сигнал (рис. 73) вычертить в другом масштабе, четко видны почти равносторонние треугольники, напоминающие зубья пилы.

Н. — Странная форма, прямо как зубья пилы для пилки дерева.

Л. — Верно, по этой причине сигнал назвали «зубьями пилы» или «симметричным пилообразным сигналом». Его используют в тех случаях, когда нужно периодически и линейно изменять напряжение вверх и вниз. Это один из возможных случаев применения изображенной на рис. 70 схемы, которую называют интегрирующей.

Н. — Так вот почему ты не хотел сказать мне название схемы! Но скажи, пожалуйста, почему этим схемам дали такие жуткие названия.

Математические определения

Л. — Ну так, Незнайкин, ты сам захотел! Чтобы ответить на твой вопрос, необходимо хотя бы в самой общей форме объяснить, что такое производная и интеграл. Впрочем, это не очень разрядит твой мозг.

Функцией называют величину у, зависящую от другой величины х, которую называют переменной: каждому значению (причина) соответствует определенная величина у (следствие). Посмотри, как «реагирует» величина у на изменения переменной относительно заданного значения а. Иначе говоря, сравним изменения следствия с изменениями породившей их причины (рассчитав для этого коэффициенты этих изменений). Ответом может служить отклонение функции относительно точки а. Мы рассмотрим возможно малые изменения х относительно величины а, чтобы точнее установить, как ведет себя функция в окрестности величины а.

Как ты видишь, мы легонько «пощекочем» переменную (причину) и посмотрим, как это скажется на функции (следствии). Если следствие этого «щекотания» будет велико, мы скажем, что производная большая.

Если переменной служит время, а функцией — пройденным путь, то производной является скорость. Например, если для каждого момента известно место нахождения автомобиля на дороге, то мы можем рассчитать его скорость. Если в момент, который я обозначу t₀, автомобиль находится в некотором месте, а в момент t₀ + 2 сек (т. е. 2 сек спустя) он находится на 30 м дальше, то я могу рассчитать его скорость, разделив прирост пройденного пути (30 м) на прирост времени (2 сек)

30 м: 2 сек = 15 м/сек (или 54 км/ч).

Следовательно, я могу сказать, что скорость в данном месте есть производная от пройденного пути по времени. Эта производная велика, когда пройденный путь быстро увеличивается с увеличением времени.

Дифференцирование с помощью схемы

Н. — Довольно туманно. Мне представляется, что это несколько напоминает схему на рис. 64. Если входное напряжение увеличивается быстро, то зарядный ток конденсатора С будет большой, что даст большое напряжение на выходе.

Л. — Ты очень хорошо понял. Но в нашем примере с автомобилем, разумеется, не может быть резкого изменения пройденного пути, так как соответствующая этому изменению скорость была бы бесконечно большой…

Н. — Вот чему могли бы позавидовать все бегуны!

Интеграл

Л. — Но это невозможно, так как «бесконечно большую» скорость нужно было бы достичь за ничтожно малый отрезок времени, что в свою очередь требует бесконечно большого ускорения. Но поговорим теперь о математическом определении интегрирования. Ты можешь получить прекрасное представление на том же примере с автомобилем, если теперь предположить, что для каждого момента мы знаем не место машины на дороге, а ее скорость (например, зафиксировав самописцем показания спидометра). Задача сводится к определению пройденного автомобилем пути к соответствующему моменту времени.

Н. — Это совсем просто. Достаточно умножить скорость на время движения.

Л. — Твои рассуждения совершенно справедливы, но только для случая, когда скорость остается строго постоянной. Однако имеются серьезные основания полагать, что этого не случится. Наш автомобилист будет проезжать через населенные пункты, где ему придется снизить скорость, ему попадутся хорошие участки дороги, где он сможет «жать на всю железку», и в результате его скорость не будет постоянной.

Н. — Тогда я совсем не знаю, что делать…

Л. — Мы просто-напросто применим твой метод, но разделим время на небольшие интервалы, каждый из которых настолько короток, что в его пределах скорость можно рассматривать как неизменную…

Н. — Но это все изменяет! Твои расчеты не будут соответствовать реальной действительности.

Л. — Именно такого заявления от тебя я и ждал. Чем больше интервалов мы возьмем, тем ближе наша оценка будет к реальной действительности. Не забывай, что обычно скорость автомобиля довольно медленно изменяется во времени…

Н. — Я такого мнения не придерживаюсь. Помнишь я говорил тебе о своем приятеле, купившем спортивный автомобиль; ему нужно всего лишь несколько секунд, чтобы разогнать свою машину до 180 км/ч…

Л. — Согласен, но я-то говорил тебе о нормальных людях. Если мы возьмем очень короткий интервал времени, например, 1 сек, и если зафиксированная в какой-то момент этого интервала скорость будет около 36 км/ч (или 10 м/сек), то мы можем сказать, что пройденный за эту секунду путь будет очень близок к 10 м.

Складывая рассчитанные таким образом отрезки пути, пройденные за очень короткие интервалы времени, мы получим сумму, состоящую из огромного числа малых слагаемых, при этом полученный результат будет достаточно близок к истинному.

В своих действиях математика исходит из подобного представления, доводя дело до крайности — предполагая, что количество интервалов бесконечно растет, а протяженность их бесконечно уменьшается. В этом случае они говорят, что проинтегрировали некоторую функцию.

Н. — Термин этот мне в высшей степени не нравится. Но как бы там ни было, твой знаменитый «интеграл» кажется мне прямой противоположностью тому, о чем ты мне только что говорил, а именно производной. Если память мне не изменяет, вычисление производной позволяет определить скорость по местоположению, а противоположная операция позволяет рассчитать местоположение по скорости.

Л. — Ты очень правильно понял. Только математики говорят не противоположная, а обратная операция. Я думаю, что теперь ты видишь аналогию между интегрированием и действием схемы рис. 70…

Н. — Я не вижу никакого сходства.

Интегрирование с помощью схемы

Л. — Сейчас увидишь. Предположим, что на вход этой схемы я подаю постоянное напряжение. Какое напряжение получим мы на выходе?

Н. — Ну, разумеется, классическую кривую заряда конденсатора — кривая напряжения поднимается и затем округляется, стремясь достичь максимума, равного приложенному на вход постоянному напряжению.

Л. — Прекрасно, Незнайкин. Если внимательнее рассмотреть эту кривую, то заметим, что в ней имеется небольшой участок равномерного подъема, который соответствует времени, когда выходное напряжение мало по сравнению с входным. Впрочем, это абсолютно логично, ведь на выводах резистора действует разность входного и выходного напряжений. Если входное напряжение имеет постоянную величину, выходное удерживается небольшим и проходящий через R зарядный ток практически остается постоянным. В этих условиях заряд конденсатора нарастает равномерно (а правильнее сказать «линейно»).

Н. — Хорошо, до сих пор все понятно, но я не вижу никакой связи между твоей историей с автомобилем и интегрированием.

Л. — Все очень просто. Подай на вход схемы рис. 70 напряжение, в каждый момент пропорциональное скорости автомобиля. Что произойдет, если при этом предположить, что выходное напряжение останется небольшим?

Н. — Раз мы предположили, что выходное напряжение ничтожно мало, протекающий по резистору ток в каждый момент будет пропорционален входному напряжению. Следовательно, конденсатор будет заряжаться быстрее или медленнее в соответствии со значением входного напряжения (т. е. если я не ошибаюсь, скорости автомобиля).

Л. — Нет необходимости анализировать дальше, так как все нас интересующее уже произошло: в каждый момент напряжение на выводах заряжающегося конденсатора повышается точно так же, как увеличивается пройденный автомобилем путь.

Если скорость большая (входное напряжение высокое), конденсатор зарядится быстро, напряжение на его выводах поднимается так же быстро, как увеличивается пройденный автомобилем путь, когда он движется быстро. Если в один прекрасный момент автомобиль остановится, входное напряжение становится равным нулю и конденсатор перестает заряжаться.

Н. — А, нет. Я с тобой совершенно не согласен; когда напряжение равно нулю, конденсатор разряжается.

Л. — Строго говоря, ты прав. Но мы предположили, что входное напряжение, а также сопротивление резистора и емкость конденсатора велики. Напряжение на выводах конденсатора всегда очень мало по сравнению с нормальными значениями входного напряжения, когда входное напряжение исчезает, конденсатор действительно немного разряжается, но этот разряд ничтожно мал.

Н. — Теперь я начинаю понимать, и у меня даже возникла идея.

Л. — Обычно к твоим идеям я отношусь с недоверием, но все же расскажи, что ты придумал.

Н. — Если вдруг машина начинает пятиться назад, то при известной ловкости можно считать, что ее скорость стала отрицательной.

Л. — Все правильно, в этом нет никаких фокусов, это совершенно правильное алгебраическое выражение.

Н. — Хорошо, но при таких условиях мы получим на входе схемы (рис. 70) отрицательное напряжение. Оно имеет значительную величину, и мы можем сказать, что конденсатор С разряжается. Точно такую же картину можно видеть на спидометре катящегося назад автомобиля — счетчик пройденного пути начнет крутиться в обратную сторону.

Л. — Прими мои поздравления, Незнайкин, ты прекрасно понял… В самом деле подаваемое на вход напряжение может быть отрицательным. Но мне не хотелось бы оказаться рядом с тобой в автомобиле при выполнении эксперимента на практике, когда ты попытаешься быстро ехать назад, оставаясь на правой стороне дороги. Но за исключением этого случая, который относится лишь к правилам уличного движения, твоя идея полностью обоснованна.

Совершенно — только ничто

Н. — Да, но… прости, здесь имеется одно непонятнее мне обстоятельство: Ты сказал, что схема на рис. 70 ведет себя правильно, т. е. ведет себя как интегрирующая схема, только при условии, что выходное напряжение очень маленькое. Но когда ездишь, машина неизбежно накапливает пройденные километры, иначе говоря, конденсатор С накопит вольты. Что же тогда делать, ведь ты уже не сможешь сказать, что выходное напряжение останется небольшим по сравнению с входным напряжением?

Л. — Ты совершенно прав. Эта система сохраняет работоспособность как интегрирующая в течение ограниченного времени, и это время можно увеличить, если подобрать высокоомный резистор и конденсатор большой емкости. Таким подбором можно сделать напряжение на выводах конденсатора чрезвычайно низким.

Н. — Но тогда, доводя дело до крайности, можно было бы сказать, что твоя схема действительно совершенна только в том случае, когда не дает никакого напряжения на выходе.

Л. — Незнайкин, ты попал прямо в один из управляющих миром философских принципов. Совершенство нам несвойственно, а совершенным могло бы быть лишь нечто, стремящееся к нулю. Мы же привыкаем к далекому от совершенства и от нуля и считаем это очень хорошим.

Н. — Я полагаю, что достаточно внимательно слушал тебя, но у меня складывается впечатление, что от интегрирования знаний мой мозг достиг такого напряжения, что верность восприятия, о которой ты говоришь, стала чрезвычайно далекой от совершенства, поэтому наступило время прервать нашу беседу.

Н. — Действительно, при рассмотрении схема не производит впечатления сложной. Но теперь я не очень доверяю твоим подобным заявлениям. Можно сказать, что это двухкаскадный усилитель, выход которого замкнули на вход.

Л. — Абсолютно верно, и именно по этой причине устройство начинает генерировать. Вспомни, что я рассказывал тебе о дифференцирующих схемах, и ты довольно легко поймешь, как работает новая. Предположим, что вначале ток проводит транзистор Т₁ и что он находится даже в состоянии насыщения. Схема между его коллектором, эмиттером и базой оказывается как бы замкнутой накоротко. Мы должны предположить, что в этот момент транзистор Т₂ заперт, так как напряжение на его базе отрицательное. В этих условиях протекающий по резистору R₄ ток, разряжая конденсатор С₂, стремится снизить отрицательный потенциал базы этого транзистора (и даже сделать его положительным). В один прекрасный момент база Т₂ становится положительной…

Н. — Тогда этот транзистор тоже начинает пропускать ток и также достигает состояния насыщения, и на этом все останавливается.

Л. — He торопись, Незнайкин. Если транзистор Т₂ начнет проводить ток, то потенциал его коллектора, который был равен +E, резко упадет до нуля. Это резкое изменение через конденсатор С₁ будет полностью передано на базу транзистора Т₁. База резко станет отрицательной, и транзистор Т₁ окажется запертым. Одновременно с этим повышение потенциала коллектора транзистора Т₁ приводит к заряду конденсатора С₂ и тем самым поможет транзистору Т₂ достичь состояния насыщения.

Так как база транзистора Т₁ имеет отрицательный потенциал, протекающий по резистору R₃ ток разряжает конденсатор С₁ и повышает потенциал базы Т₁ до тех пор, пока он достигнет небольшого положительного значения. В этот момент транзистор Т₁ начнет пропускать ток, что вызовет запирание транзистора Т₂, и все начнется сначала. На рис. 79 я нарисовал тебе изменения напряжений на коллекторах и на базах обоих транзисторов.

Н. — Я примерно догадываюсь, как это происходит. По сути дела напряжения на базах имеют примерно такую же форму, как и на рис. 69, и это вполне нормально, потому что эти напряжения получены после цепочек связи, состоящих из конденсаторов и резисторов. Но меня изрядно удивляет форма напряжений на коллекторах. Почему напряжение так медленно повышается и так резко падает?

Л. — Медленный подъем кривой объясняется очень просто. Когда, например, транзистор Т₁ запирается, потенциал его коллектора не может быстро повышаться, так как для этого конденсатор С₂ должен зарядиться через резистор R₁. Это придает кривой, о которой ты говоришь, закругленную форму.

А когда транзистор, например Т₁, резко отпирается, то схема по его коллектору как бы замыкается накоротко. Этим и объясняется большая крутизна спада напряжения на коллекторах, которую можно видеть на кривых изменения потенциалов коллекторов Т₁ и Т₂. Кроме того, не следует забывать, что обе базы транзисторов не могут одновременно стать положительными. Как только база оказывается под малым положительным потенциалом, переход база — эмиттер становится проводящим, образуя настоящее короткое замыкание на корпус. Этим и объясняются горизонтальные участки кривых напряжений обеих баз на рис. 79.

Рис. 79. Форма напряжений показанного на предыдущем рисунке мультивибратора.

Можно было бы еще очень много рассказать о мультивибраторе, но твоих знаний уже достаточно, чтобы иметь возможность использовать его в качестве делителя частоты.

Условия насыщения

Н. — Прежде чем заняться делением частоты, я хотел бы задать один вопрос. Ты сказал, что транзисторы Т₁ и Т₂ находятся в состоянии насыщения, когда работают. Я тебе верю, но хотел бы знать, почему.

Л. — Задавая этот вопрос, ты абсолютно прав. Предположим, например, что сейчас ток проводит транзистор Т₁. Ток его базы проходит через резистор R₃. Потенциал базы почти равен потенциалу эмиттера, как это бывает в любом незапертом транзисторе. Следовательно, падение напряжения на резисторе R₃ практически равно +Е. Значит, протекающий по этому резистору ток, т. е. ток базы транзистора Т₁ приблизительно равен E/R₃.

Кроме того, если этот транзистор находится в состоянии насыщения, потенциал его коллектора практически равен нулю, а ток коллектора приблизительно равен E/R₁. Поэтому для выполнения условия насыщения достаточно иметь такой коэффициент усиления транзистора по току (который мы обозначаем буквой β), чтобы произведение тока базы E/R₃ на β было больше максимального тока, который сможет пропустить коллектор, т. е.

Возьмем для наглядности числовой пример. Пусть коэффициент усиления транзистора по току β = 30. Тогда для выполнения условия насыщения произведение 30·(Е/R₃) — должно быть больше E/R₁, для чего достаточно, чтобы сопротивление резистора R₃ было меньше 30·R₁.

Н. — До сих пор я внимательно следил за тобой, но имеется еще один момент: ты пренебрегаешь токами, которые могут поступать или уходить с баз или коллекторов вследствие зарядов или разрядов конденсаторов.

Л. — Они только упорядочивают работу схемы. Например, когда конденсатор C₁ заряжается через резистор R₂, зарядный ток прибавляется к току, поступающему на базу транзистора Т₁ через резистор R₃. Как ты видишь, он просто улучшит положение.

Синхронизация

Л. — А теперь я воспользуюсь диодом Д₁, который до сих пор оставался без дела, чтобы подать на коллектор Т₁ отрицательный импульс из точки А через конденсатор С₃.

Н. — А какую роль играет резистор R₅?

Л. — Этот резистор просто-напросто устанавливает средний потенциал катода диода Д₁ на уровне +Е. Поэтому диод может проводить ток только при запертом транзисторе Т₁ (потому что это повышает потенциал коллектора транзистора Т₁ и потенциал анода диода до уровня +Е), когда катод этого диода стал отрицательным под воздействием поступающего через конденсатор С₃ импульса.

Н. — Но это ужасно! Если ты таким образом подашь импульс на коллектор транзистора Т₁, то полностью нарушишь работу схемы!

Л. — Должен признаться, что именно это я и намерен сделать. Предположим, например, что мультивибратор имеет тенденцию работать с частотой повторения 100 гц. Подадим ему в точку А отрицательные импульсы с частотой 330 гц. Предположим для начала, что первое срабатывание мультивибратора, совпадающее с резким падением потенциала на коллекторе транзистора Т₁ произойдет точно в момент поступления импульса в точку А.

Есть все основания полагать, что когда в точку А придет следующий импульс, транзистор Т₁ еще будет в состоянии насыщения. Поэтому приложенный на катод диода импульс не будет передан. Следующий импульс может застать транзистор Т₁ в состоянии насыщения и также не вызовет никакого результата. Третий импульс придет в момент, когда мультивибратор вот-вот самопроизвольно опрокинется; Т₁ еще заперт, а база транзистора Т₂ почти готова открыться. Этот третий импульс опрокинет мультивибратор на какое-то мгновение раньше, чем он сделал бы это сам. Три периода сигнала с частотой 330 гц занимают времени чуть меньше одной сотой доли секунды. Через три следующих импульса картина повторяется во всех мельчайших подробностях; поступивший в точку А импульс вызовет опрокидывание мультивибратора немного раньше положенного ему срока. Таким образом, наш мультивибратор станет работать несколько быстрее, чем если бы ему предоставили полную свободу действий. Он станет давать сигналы с частотой 110 гц, т. е. с частотой, ровно в 3 раза меньшей приложенной (рис. 80).

Рис. 80. Подаваемые в точку А синхронизирующие импульсы вызывают опрокидывание мультивибратора несколько раньше момента его самопроизвольного опрокидывания. В результате мультивибратор дает сигналы с частотой в 3 раза ниже частоты подаваемых в точку А синхронизирующих импульсов.

Н. — Ну, с этим я не согласен. В первый раз, когда мы применением грубой силы заставим мультивибратор сработать преждевременно, неизбежно произойдет какая-то деформация мультивибратора. При повторном проявлении насилия следующая деформация наложится на первую. И через два или три периода мультивибратор вообще откажется подчиняться.

Л. — Как раз нет, Незнайкин. Мультивибратор не обладает памятью. Каждый раз после срабатывания, как самопроизвольного, так и вызванного внешним импульсом, мультивибратор оказывается в строго определенном состоянии, которое не зависит от вызвавшей его опрокидывание причины.

Н. — Если я правильно понял, твой мультивибратор не помнит зла.

Л. — Радиоэлектроника не располагает средствами психоанализа, которые позволили бы определить настроение мультивибраторов. Говоря проще на языке техники, они не имеют запоминающего устройства. Впрочем, это очень полезное для нас свойство.

Стабильность деления

Н. — Это действительно не кажется мне очень сложным. Но что произойдет, если я изменю частоту подаваемых в точку А импульсов? Например, если увеличу частоту до 400 гц?

Л. — Может быть, система еще будет действовать, и мультивибратор согласится ускорить ритм своей работы до 400 гц: 3 = 133 гц. Но может случиться и так, что после опрокидывания синхронно с одним импульсом к моменту прихода следующего импульса мультивибратор еще не станет чувствительным к пусковому импульсу. В этих условиях он не признает третьего импульса и сработает на четвертом, который поступает точно в тот момент, когда мультивибратор должен был опрокинуться самопроизвольно. Тогда система будет делить подаваемую частоту не на три, а на четыре.

Н. — Так, значит, система не очень стабильна?

Л. — Она стабильна, если не очень сильно изменять подлежащую делению частоту. Такая система не пригодна для деления любой частоты в одно и то же число раз. Если подаваемая на вход частота изменяется в небольших пределах, то ты получишь превосходный делитель частоты.

Н. — Теперь-то я знаю, где мне использовать это устройство; уже давно мне хотелось сделать делитель на 819, чтобы превратить строчную частоту в кадровую[12]. Для этого я сделаю мультивибратор с собственной частотой срабатывания около 25 гц, вернее, немного меньше (как ты мне объяснил, синхронизация может только ускорить ритм), и подам на него импульсы с частотой строчной развертки.

Л. — Если тебе удастся осуществить свои планы, я готов преподнести тебе в лучшем ресторане фаршированную трюфелями курицу. Но сначала скажи, каким образом намерен ты сделать свои мультивибратор настолько хитрым, что он сработает не на 818-м, а именно на 819-м импульсе? Ведь состояние мультивибратора между этими двумя импульсами изменится настолько незначительно, что для обеспечения стабильности потребуется просто ювелирная регулировка.

Однако, сказанное не означает, что сделать делитель, уменьшающий поступающую частоту в 819 раз, невозможно, только делить ее придется в несколько приемов; ты может быть заметил, что 819 представляет собой произведение трех сомножителей: 9, 7 и 13. В первом каскаде ты разделишь свою частоту на 9. Полученные на первом мультивибраторе импульсы подашь на второй, который разделит их частоту на 7; второй каскад соединишь с третьим, который разделит подаваемую ему частоту на 13. И на этой третьей ступени деления ты, вероятно, столкнешься с наибольшими трудностями.

Н. — Если я правильно понял, ты, Любознайкин, просто суеверный человек — ты боишься числа 13…

Л. — Заверяю тебя, что суеверие здесь ни при чем. Я проявил бы еще больше беспокойства, при делении на 15 или 17. Ибо чем выше коэффициент деления, тем труднее осуществить деление; ведь наш мультивибратор не имеет права опрокинуться на двенадцатом импульсе, а обязан наверняка сработать на тринадцатом. В принципе это возможно, хотя и не так легко осуществить. Для подобных делений используют более сложные схемы, о которых сейчас я предпочитаю не говорить, так как это увело бы нас слишком далеко.

Деление на четное число

Н. — Согласен, спасибо за твои объяснения, но у меня появился один вопрос. Когда ты говорил о числе 13, ты заметил, что еще большее беспокойство вызвало бы у тебя деление на 15 или 17. Почему ты назвал только нечетные числа?

Л. — Очень хорошо, что ты обратил внимание на это обстоятельство. Для деления на четные числа существует очень хитрое устройство, обладающее лучшей стабильностью. Посмотри на схему, которую я начертил для тебя на рис. 81. Я не нарисовал остальную часть мультивибратора; скажу только, что он выполнен очень тщательно для достижения максимальной симметрии, т. е. чтобы в отсутствие синхронизирующих импульсов оба транзистора в каждый период оставались запертыми строго одинаковое время, и мультивибратор вырабатывал очень симметричные сигналы. Для достижения такой цели стараются сделать в пределах возможного одинаковыми по величине резисторы R₃ и R₄ (см. рис. 78) и конденсаторы С₁ и С₂. Величины R₁ и R₂ имеют меньшее значение.

Рис. 81. Включение в схему двух диодов позволяет симметрично подавать сигналы на вход мультивибратора, чтобы синхронизировать каждое опрокидывание схемы и делить подаваемую частоту на четное число.

Н. — Я предполагаю, что ты постараешься также подобрать транзисторы с возможно одинаковыми параметрами.

Л. — Это, конечно, не повредит, но и пользы особой не принесет, так как наши транзисторы при переходе от запертого состояния к состоянию насыщения работают как прерыватели.

Предположим, что наш мультивибратор имеет тенденцию работать на частоте примерно 90 гц. Подадим ему в точку А отрицательные импульсы с частотой 400 гц. Они одновременно подаются в катоды диодов Д₁ и Д₂. Пропустить импульс может только тот диод, чей анод соединен с запертым транзистором. Предположим, что один из этих импульсов опрокинул мультивибратор, заперев транзистор Т₁, и приведя в состояние насыщения транзистор Т₂. Следующий импульс может дойти до коллектора транзистора Т₁, потому что его потенциал равен +Е. Но этот импульс приходит через 1/400 сек после срабатывания мультивибратора, т. е. задолго до момента его очередного самопроизвольного опрокидывания, и если посланный импульс имеет правильно выбранную амплитуду, его окажется недостаточно для переброса схемы. Следующий импульс поступает через 1/200 сек после опрокидывания, т. е. незадолго до момента, когда мультивибратор опрокинулся бы самопроизвольно (напомню, что наш мультивибратор симметричный и каждое самопроизвольное опрокидывание происходит точно через 1/180 сек после предыдущего). Следовательно, этот второй импульс вызовет срабатывание мультивибратора; в результате транзистор Т₁ перейдет в состояние насыщения, а транзистор Т₂ будет заперт. Теперь передавать импульсы будет диод Д₂. Рассмотренная нами картина начнет повторяться; первый импульс не пройдет, вернее его воздействие не будет иметь последствий, и только следующий после него импульс вызовет новое опрокидывание схемы.

Н. — Но этого не может быть, твой мультивибратор запускается каждым вторым импульсом, т. е. он должен работать с частотой 200 гц.

Л. — Не забыл ли ты, дорогой Незнайкин, что полный период работы мультивибратора соответствует двум опрокидываниям. Имеется своего рода опрокидывание «туда» и опрокидывание «обратно». Иначе говоря, вполне нормально, что наш мультивибратор опрокидывается 200 раз в 1 сек, а его истинная частота равна 100 гц.

Н. — Еще раз я не подумал, как следует! Ты в самом деле прав. Но это чрезвычайно симпатично. Хотя частота делится на 4, мультивибратор запускается каждым вторым поступающим на вход импульсом, что несомненно повышает стабильность его работы.

Л. — Разумеется, именно поэтому я только что сказал тебе о трудности делить на 13 и тем более на 15 или на 17… А вот разделить на 14 было бы значительно легче, чем на 13.

Деление на 2

Н. — Вот о чем я сейчас подумал: если потребовалось бы разделить частоту на 2, работа была выполнена бы почти безукоризненно, так как мультивибратор срабатывал бы от каждого поступающего на вход импульса.

Л. — Ты совершенно прав, Незнайкин. Но сейчас я расскажу тебе о совершенно безупречном способе деления на 2, который никак не зависит от частоты. Я познакомлю тебя с новым устройством — с триггером с двумя устойчивыми состояниями, носящим еще название триггера Экклеса — Джордана. Вот тебе схема этого устройства (рис. 82).

Рис. 82. Схема триггера с двумя устойчивыми состояниями; диоды пропускают синхронизирующий импульс на тот из транзисторов, который находится в состоянии насыщения.

Н. — Ой, ой! Какая она сложная!

Л. — Может быть и сложная, но разобраться в ней совсем нетрудно. Здесь ты увидишь некоторую аналогию с мультивибратором (см. рис. 78). Когда один из транзисторов пропускает ток, он напряжением своего коллектора воздействует на базу другого транзистора. В отличие от мультивибратора здесь мы имеем прямую связь между каждым коллектором и базой противоположного транзистора. Так, например, если ток пропускает транзистор Т₁ (если возможно в состоянии насыщения), потенциал его коллектора очень низкий. С помощью делителя напряжения R₃ — R₄ он придает потенциалу базы Т₂ небольшую отрицательную величину, что надежно запирает транзистор Т₂. Но когда запертым оказывается транзистор Т₁, потенциал его коллектора близок к +Е и делитель из резисторов R₃ — R₄ будет стремиться создать на базе Т₂ положительное напряжение. Как только база станет положительной, ток базы подрежет сверху напряжение, подводимое к ней через резисторы R₃ и R₄.

Н. — Уф, хотя я и очень внимательно следил за твоим рассказом, числовой пример принес бы мне немалую пользу.

Режимы работы триггера с двумя устойчивыми состояниями

Л. — Согласен, я полагаю, что ты будешь доволен, если посмотришь на рис. 82; там в скобках я указал напряжение питания +Е, равное 12 в, напряжение смещения — U_c (в нашем случае — 6 в), а также номиналы резисторов. Предположим, что ток пропускает транзистор T₁, находящийся в состоянии насыщения. Отсюда следует, что потенциал его коллектора упал почти до нуля, а ток коллектора близок к 4 ма, потому что питание на этот коллектор подается от источника с напряжением 12 в через резистор R₁ с сопротивлением 3 ком. Два равные по сопротивлению резистора R₃ и R₄ создают на базе Т₂ потенциал, близкий к —3 в, т. е. транзистор Т₂ надежно заперт.

А теперь предположим, что заперт транзистор T₁. Тогда потенциал его коллектора близок к +12 в, делитель из резисторов R₃ — R₄ стремится повысить потенциал базы транзистора Т₂ до +3 в. Само собой разумеется, что напряжение на этой базе достигнет лишь +0,3 в (обычное значение напряжения база — коллектор в нормально проводящем германиевом триоде). В этих условиях легко рассчитать, какой ток поступает на эту базу через резисторы R₁ и R₃ общим сопротивлением 23 ком; ток имеет величину: 12 в: 23 000 ом = 0,00052 а или 0,52 ма. В то же время через резистор R₄ течет ток, равный 6 в: 20 000 ом = 0,0003 а или 0,3 ма. База же получает разность этих токов или 0,52 ма — 0,3 ма = 0,22 Если коэффициент усиления транзистора по току превышает 20, можно с уверенностью сказать, что мы довели транзистор до состояния насыщения, ибо максимальный ток его коллектора равен 4 ма.

Н. — Хорошо, теперь я действительно вижу, что когда один из транзисторов твоей схемы пропускает ток, он запирает другой и, наоборот, запертый транзистор приводит другой в состояние насыщения. Но как узнать, какой из транзисторов будет заперт и какой будет находиться в состоянии насыщения?

Л. — А на этот вопрос, дорогой Незнайкин, я не могу ответить с желаемой тобой определенностью. Возможно, что запертым будет транзистор Т₁, а Т₂ будет в состоянии насыщения, но одинаково возможен и случай, что в состоянии насыщения окажется Т₁ а Т₂ будет заперт.

Н. Значит, твоя схема сама не знает, чего она хочет!

Л. — Не вдаваясь в вопросы психологического анализа, я просто скажу тебе, что рассматриваемая схема имеет два устойчивых состояния или, как говорят, она бистабильна. Тебе уж доводилось встречаться с такими схемами и, в частности, с триггером Шмитта (см. рис. 61), у которого напряжение базы транзистора Т₁ находилось между двумя порогами.

Н. — Так, значит, эта схема может некоторое время провести с запертым Т₁ и насыщенным Т₂ и наоборот.

Л. — Согласен с тобой, но с одной оговоркой — я не стал бы говорить «некоторое время». Оказавшись в каком-то определенном положении, схема (рис. 82) может бесконечно долго оставаться в этом положении, пока мы не изменим ее состояния.

Запуск триггера с двумя устойчивыми состояниями

Н. — Но как ты «изменишь состояние» схемы?

Л. — Здесь на сцену выступают диоды Д₁ и Д₂. Предположим, что схема находится в таком состоянии, когда транзистор Т₁ заперт, а Т₂ насыщен. Как мы видим, в этих условиях на катоды диодов через резисторы R₇ и R₈ поданы следующие потенциалы: у диода Д₁ почти + 12 в, а у диода Д₂ почти нуль. Подадим в точку А отрицательный импульс; через конденсаторы С₃ и С₄ этот импульс одновременно будет приложен к катодам обоих диодов. Но так как катод диода Д₁ имеет потенциал +12 в, а его анод — отрицательный потенциал (транзистор Т₁ заперт), потребовался бы импульс больше 12 в, чтобы сделать диод проводящим. А у диода Д₂ потенциал катода равен (или почти равен) нулю, а потенциал его анода также близок к нулю или имеет очень небольшую положительную величину (мы говорили о 0,2 или 0,3 в). Поэтому импульс будет передан только диодом Д₂. Отрицательный импульс, попадая на базу транзистора Т₂, запрет его. Соответствующее повышение напряжения на его коллекторе передается на базу транзистора Т₁ через делитель из резисторов R₅ — R₆ и особенно через конденсатор С₁, хорошо передающий крутые фронты, и отопрет транзистор Т₁. Таким образом, завершится переход системы из одного состояния в другое.

Н. — Хорошо, до сих пор все понятно. Но следующий импульс произведет такой же эффект. А для возвращения схемы в первоначальное состояние ему нужно было бы сделать как раз обратное.

Л. — Как мне кажется, дорогой Незнайкин, ты забыл, что транзистор Т₁ стал проводить ток, а транзистор Т₂ в это время I заперся, следовательно, после опрокидывания схемы резистор R₇ постепенно сделает потенциал анода диода Д₁ близким к нулю; а в это время резистор R₈ постепенно повысит потенциал катода диода Д₂ до значения, близкого к +12 в. Если прежде чем посылать следующий импульс, ты немного подождешь, то увидишь, что картина с напряжениями смещения на катодах диодов стала обратной по сравнению с состоянием, предшествовавшим первому импульсу. Следовательно, второй импульс произведет обратное действие и вернет схему в ее первоначальное состояние.

Н. — Дьявольски хитрая система. По сути дела диоды Д₁ и Д₂ играют роль железнодорожной стрелки, направляющей импульс на тот транзистор, который как раз в нем нуждается для отпирания.

Л. — Ты совершенно прав, сравнивая это устройство с железнодорожной стрелкой, по хочу, чтобы ты обратил особое внимание на роль, которую в этой стрелке играют резисторы R₇ и R₈, а также конденсаторы С₃ и С₄. После опрокидывания схемы изменение потенциалов катодов диодов Д₁ и Д₂ происходит постепенно. В самом деле для заряда конденсатора С₃ через резистор R₇ и конденсатора С₄ через резистор R₈ требуется некоторое время. Иначе говоря, работой нашего направляющего разделителя управляет предыдущее положение триггера. Запаздывание в цепочках R₇ — С₈ и R₈ — С₄ играет исключительно важную роль; если вернуться к твоему сравнению с железной дорогой, задержка не позволяет перевести стрелку во время прохождения поезда.

Н. — Однако ничего подобного нет в схеме на рис. 81, где диоды играют роль аналогичного направляющего разделителя…

Диоды, которые не выполняют роли направляющего разделителя

Л. — Совсем не так, Незнайкин; ты совершаешь очень распространенную ошибку, но мне не хотелось бы, чтобы ты уподобился всем… В схеме на рис. 81 диоды Д₁ и Д₂ не предназначены для выполнения роли направляющего разделителя. Перед ними поставлена только одна цель — пропустить на один из коллекторов отрицательный импульс, который должен вызвать опрокидывание схемы, после чего диоды как бы отключают этот коллектор от источника импульсов. При необходимости в схеме на рис. 61 можно было бы обойтись без диодов и посылать импульсы из точки А просто через два небольших конденсатора С₃ и С₄ (рис. 83)…

Рис. 83. Для деления частоты на четное число мультивибратор делают по возможности максимально симметричным и синхронизируют импульсом, подаваемым через два конденсатора, включенных в цепи коллекторов транзисторов.

Н. — О, нет! В этом случае ты не сможешь посылать импульсы только на коллектор запертого транзистора, они одновременно пошли бы и на другой.

Л. — Но что может сделать отрицательный импульс, попавший на коллектор насыщенного транзистора, Незнайкин? Эффект будет примерно такой, как если поставить горчичники на деревянную ногу. Получивший такой импульс коллектор передаст его на базу запертого транзистора, но ведь это не сможет запереть еще больше. Только запертый транзистор чувствителен к поступающему на его коллектор отрицательному импульсу: он через конденсатор связи передаст его на базу транзистора, находящегося в состоянии насыщения, и тем самым начнет опрокидывание схемы.

Н. — Но тогда почему ты поставил в схему конденсатор С₃, резистор R₅ и два весьма дорогих диода Д₁ и Д₂. Ведь можно было бы вполне обойтись двумя конденсаторами.

Л. — Для начала разберемся с ценой. Должен тебе сказать, что хороший диод стоит не дороже конденсатора. Затем я поставил здесь диоды, чтобы мультивибратор лучше работал. Наличие двух конденсаторов, соединяющих точку А с коллекторами транзисторов для подачи отрицательных импульсов, может нарушить нормальную работу мультивибратора. При использовании же двух диодов, установленных, как показано в схеме на рис. 81, все обстоит иначе: проводящий первым диод передает импульс на коллектор соответствующего транзистора, а после опрокидывания схемы диод запирается. Все происходит так, как если бы в этот момент его отключили от источника импульсов.

Н. — Так, значит, диоды просто выполняют роль прерывателя. Тогда их можно было бы заменить двумя маленькими переключателями и перебрасывать их после прохождения импульса.

Л. — В принципе, да. Но если ты сумеешь переводить свои переключатели с точностью до четверти микросекунды и в случае надобности проделывать эту операцию 20 000 раз в 1 сек, я настоятельно советую тебе бросить свою работу и поступить в цирк.

Н. — Понятно! Но еще одна вещь не дает мне покоя; разве в схеме на рис. 82 твои направляющие диоды Д₁ и Д₂ не играют той же роли отключателя источника импульсов от триггера?

Л. — Ты совершенно прав, эти диоды одновременно направляют импульсы по нужному адресу и отключают источник импульсов от триггера. А в схемах на рис. 78 и 81 диоды только отключают источник импульсов от сработавшей схемы. Для большей наглядности я приведу аналогичный пример из механики. Представь себе, что с трамплина один за другим прыгают в воду пловцы, а тренер «синхронизирует», подталкивая их сзади, чтобы заставить прыгнуть немного раньше назначенного момента.

Н. — Но результат окажется катастрофическим для несчастного, который окажется в воде раньше, чем думал!

Л. — Успокойся! Речь идет о совсем ничтожном опережении, и пловец уже готов прыгнуть в воду. Рассмотрим теперь, как действует тренер. Он толкает пловца вперед до тех пор, пока тот не кувыркнется вниз. Следовательно, между тренером и пловцом необходима односторонняя механическая «связь». Иначе говоря, тренер должен толкать пловца, но не давать ему тащить себя. Если вместо того, чтобы толкать пловца сзади, тренер будет крепко держать его за плечо, станут возможны два варианта: или тренер очень силен и не даст пловцу спрыгнуть в воду, или же пловец увлечет тренера с собой и тот полетит в воду…

Н. — И превосходно сделает!

Л. — Не отвлекайся, Незнайкин. Пойми, что в этом случае как и при опрокидывании мультивибратора, необходимо, чтобы связь работала только в одном направлении и чтобы она прерывалась сразу же после начала опрокидывания. Эту роль всегда выполняют диоды; в некоторых случаях, как, например, в схеме на рис. 82, они выполняют также роль направляющего разделителя.

Опрокидывание триггера с двумя устойчивыми состояниями

Н. — Я полагаю, что теперь мы о нем все рассказали. Каждый раз, когда в точку А поступает импульс, схема изменяет свое состояние, следовательно, потребуется подать в точку А два импульса, чтобы схема вернулась в свое первоначальное состояние.

Л. — Превосходно, ты совершенно правильно понял принцип работы этого устройства. Как ты видишь, такая система может использоваться для деления любой частоты на 2. Поэтому устройство называют апериодическим делителем частоты. Если сигналы с коллекторов этой схемы преобразовать дифференцирующей схемой такого типа, как изображенная на рис. 64, и использовать для пуска в ход другого триггера с двумя устойчивыми состояниями, то в результате частота будет разделена на 4. Как ты видишь, таким образом можно легко разделить частоту на 4, 8, 16, 32…

Н. — Наиболее важным в этом многоступенчатом устройстве мне представляется первый делитель, так как, вероятно, от него зависит максимальная частота, на которой может работать все устройство. Какими характеристиками обычно обладает такой делитель?

Л. — По изображенной на рис. 82 схеме легко сделать триггер, работающий на частотах до 5 или 6 Мгц. А путем подбора транзисторов и используя резисторы с меньшими, чем я назвал, номиналами, удается делить частоты до 30 Мгц.

Обрати внимание, до какой степени эта система отвечает требованиям, которые можно предъявить к совершенному делителю: тот же самый триггер, который, получая 30 миллионов импульсов в секунду, дает на выходе сигнал с 15 миллионами периодов в секунду, работает точно так же и при получении в секунду четырех импульсов — он даст выходной сигнал с частотой 2 гц.

Н. — Исключительно приятное устройство, но как досадно, что оно делит только на 2 (или на 4, 8, 16…).

Л. — Существуют системы с несколькими устойчивыми положениями, которые позволяют также безупречно делить не на 2, а на 3, 4, 5 и даже на другие числа. Системы эти основаны на тех же принципах, что и схема на рис. 82. Но они немного сложнее, и мы рассмотрим их позднее, когда поведем беседу о счетных устройствах.

Н. — Бедный я, несчастный! Твой триггер с двумя устойчивыми состояниями уже достаточно сложен, а если ты покажешь мне что-нибудь еще более сложное, боюсь, что моя голова не выдержит!

Л. — Не бойся, Незнайкин; усложнять материал мы будем постепенно, и ты убедишься, что на самом деле все намного проще, чем может показаться при взгляде на схему.

Н. — Хорошо, надеюсь, что так и будет. Должен признаться, что мне легче понять новую схему, когда ее можно сравнить с чем-нибудь мне уже знакомым. Впрочем, я вижу некоторую аналогию между твоим триггерем с двумя устойчивыми состояниями на рис. 82 и мультивибратором на рис. 78. Основное различие между ними заключается в том, что в мультивибраторе связь между коллектором и базой противоположного транзистора осуществляется конденсаторами, тогда как в триггере с двумя устойчивыми состояниями цепочка прямой связи состоит из резистивных делителей.

Однотактный триггер

Л. — Ты совершенно прав, Незнайкин. Я вижу, что сегодня ты в прекрасной форме, и поэтому я расскажу тебе о новом типе схемы, которую можно рассматривать как своеобразную дочь схем на рис. 82 и 78. Новую схему я начертил для тебя на рис. 84.

Рис. 84. Схема с одним устойчивым состоянием представляет собой своеобразную смесь мультивибратора и схемы с двумя устойчивыми состояниями; ее можно опрокинуть подачей импульса в точку А, но затем схема самопроизвольно возвращается в первоначальное состояние.

Н. — Очень любопытная схема; транзистор Т₁, связан с транзистором Т₂ делителем R₃, R₄ как в триггере с двумя устойчивыми состояниями, а коллектор транзистора Т₂ связан с базой транзистора Т₁ конденсатором С как в мультивибраторе с рис. 78. Так что же это: генерирующая или бистабильная схема?

Л. — Ни то, ни другое. Мультивибратор (см. рис. 78) относится к категории так называемых неустойчивых схем, т. е. схем, которые не могут оставаться в каком-либо состоянии: они выходят из этого состояния резким скачком, который возникает самопроизвольно или ускоряется внешним пусковым импульсом. Изображенная на рис. 84 схема обладает одним состоянием, в котором она может пребывать бесконечно долго. Это состояние наступает, когда ток транзистора Т₁ доходит до насыщения, запирая транзистор Т₂, т. е. так, как это происходит в триггере с двумя устойчивыми состояниями.

Н. — Но тогда это будет схема с двумя устойчивыми состояниями!

Л. — Нет, Незнайкин, эта схема не с двумя, а с одним устойчивым состоянием — ее называют однотактным триггером. В самом деле, если в точку А поступает отрицательный импульс, он через конденсатор С' передается на катод диода Д. Через этот диод и конденсатор С импульс будет стремиться запереть транзистор Т₁. Как только ток этого транзистора начинает снижаться, происходит повышение потенциала его коллектора (уменьшается падение напряжения на резисторе R₁). Это повышение потенциала передается на базу транзистора T₂, который начинает пропускать ток. Потенциал коллектора транзистора Т₂ снижается, это снижение через конденсатор С передается на базу Т₁ и усиливает воздействие первоначального импульса до тех пор, пока ему не удастся полностью запереть транзистор Т₁ и ввести в состояние насыщения транзистор Т₂.

Н. — А я что говорил — вот тебе второе устойчивое состояние!

Л. — Нет, это состояние не может удерживаться бесконечно долго. Не забывай, что теперь потенциал базы Т₁ отрицательный. Через резистор R₅ пойдет ток, он будет стремиться повысить потенциал базы транзистора Т₁ и одновременно разрядить конденсатор С. Как только потенциал базы транзистора Т₁ станет слегка положительным, через транзистор Т₁ потечет ток и потенциал его коллектора снизится, что приведет к уменьшению тока транзистора Т₂, а это в свою очередь вызовет повышение потенциала на коллекторе транзистора Т₂. Это повышение, переданное через конденсатор С на транзистор Т₁, ускорит происходящую в схеме эволюцию, в результате чего транзистор Т₁ вновь придет в состояние насыщения, а транзистор Т₂ окажется запертым.

Н. — Это дьявольски сложно. Все явления происходят одновременно и к тому же воздействуют друг на друга, поэтому я с большим трудом проследил за ними.

Сигналы однотактного триггера

Л. — Для облегчения твоей задачи я вычертил на рис. 85 кривые, характеризующие изменения во времени потенциалов в различных элементах схемы. Как мы видим, в точку А в момент t₀ подают отрицательный импульс. В этот момент потенциал коллектора транзистора Т₁ стремится повыситься до +Е. Это повышение через цепочку R₃ — R₄ передается на базу транзистора T₂, которая сначала была заперта напряжением —U, а теперь ее потенциал поднимается до нуля. Как ты видишь, это вызывает отпирание транзистора Т₂ и доводит потенциал его коллектора почти до нуля. Снижение потенциала коллектора Т₂ через конденсатор С передается на базу Т₁ (первоначально ее потенциал был почти равен нулю) и доводит потенциал базы до величины, близкой к —Е.

Рис. 85. Эпюры напряжений в схеме с одним устойчивым состоянием, изображенной на рис. 84.

Н. — Я хотел бы знать, откуда берется эта величина —Е?

Л. — Но, Незнайкин, разве ты забыл известный принцип, что напряжение на выводах конденсатора не может измениться на конечную величину за равное нулю время. Если ты об этом вспомнишь, то увидишь, что перед самым приходом отрицательного импульса в точку А потенциал коллектора Т₂ был равен Е (транзистор Т₂ был заперт). Потенциал базы транзистора Т₁ был почти равен нулю, следовательно, конденсатор С был заряжен до напряжения, очень близкого к Е. Сразу же после опрокидывания схемы он еще был заряжен до напряжения Е. При этом потенциал на нижней (базовой) обкладке равен —Е относительно верхней. Затем потенциал его верхней обкладки стал близким нулю (транзистор Т₂ в состоянии насыщения замкнул верхнюю обкладку на корпус) и, следовательно, потенциал базы Т₁, равный потенциалу нижней обкладки относительно верхней, стал близким —Е.

Н. — Признаюсь, что я не подумал о твоем знаменитом принципе, так как забыл вырезать его золотыми буквами на своем камине, но поверь мне, теперь за этим дело не станет. По твоим кривым я вижу, что сразу же после опрокидывания схемы потенциал базы транзистора Т₁ начинает повышаться. Я полагаю, что причиной послужил ток, протекающий по резистору R₅.

Л. — И ты не ошибся. Когда транзистор Т₁ находится в состоянии насыщения, проходящий по резистору R₅ ток течет по направлению к базе этого транзистора. А теперь при запертом транзисторе Т₁ добавляется ток разряда конденсатора С. Через время, определяемое величиной CR₅, потенциал базы транзистора Т₁ доходит почти до нуля — это происходит в момент t₁. Как ты видишь, в этот момент транзистор Т₁ вновь начинает пропускать ток; потенциал его коллектора падает до нуля, что приводит к запиранию транзистора Т₂, потенциал коллектора которого повышается до + Е.

Н. — А почему ты, Любознайкин, на своем рисунке на кривой потенциала коллектора транзистора Т₂ изобразил участок возрастания относительно пологим?

Л. — Не забывай, что для повышения потенциала коллектора транзистора Т₂ протекающий по резистору R₂ ток должен сначала зарядить конденсатор С. На нижней обкладке последнего переход база — эмиттер проводящего транзистора поддерживает потенциал, почти равный нулю. Следовательно, этот конденсатор заряжается постепенно и вслед за ним медленно повышается потенциал коллектора Т₂.

Н. — Я начинаю понимать работу твоей занятной схемы. И все же она производит очень странное впечатление. Стоит только транзистору Т₂ начать пропускать ток, как его опять очень быстро запирают. Он должно быть чувствует себя обманутым.

Л. — Отложи, пожалуйста, на более подходящее время анализ чувств транзисторов, а пока займись вопросом практического использования схемы, которая во многих случаях может оказаться очень полезной.

Использование однотактных триггеров

Н. — Но мы сейчас имеем дело не с мультивибратором, так как наша схема только один раз работает как мультивибратор.

Л. — И это очень хорошо. Первое опрокидывание схемы производится внешним импульсом, а второе происходит самопроизвольно, поэтому эту схему можно назвать одновибратором. Впрочем, иногда встречается и название «однотактный мультивибратор». Но это название бросает меня в дрожь, потому что содержит в себе противоречие. С таким же успехом можно говорить о темном свете или металлическом ксилофоне[13]. Эта схема интересна тем, что при любом пришедшем в точку А импульсе при условии, что он достаточен для срабатывания схемы, с коллектора транзистора Т₁ получают единственный сигнал, всегда одинаковый по длительности и амплитуде. Следовательно, эта схема — прекрасный инструмент для преобразования импульсов с целью придания им единой формы. Ты, вероятно, помнишь, что счетчик Гейгера — Мюллера дает совершенно разные по форме импульсы. Подав такие импульсы на однотактный триггер, например, изображенный на рис. 84, мы можем сделать их совершенно идентичными, что, помимо других преимуществ, в частности, облегчает их счет.

Н. — На мой взгляд, проще пропустить их через амплитудный ограничитель.

Л. — Но полученный результат был бы существенно хуже. Ведь данный счетчиком Гейгера — Мюллера очень высокий импульс одновременно больше других и по продолжительности, потому что в этом случае деионизация трубки занимает больше времени. При использовании простого амплитудного ограничителя мы получили бы импульсы одинаковой высоты, но разной ширины. Впрочем, есть еще одна весьма интересная область применения для нашего однотактного триггера. Представь себе, что напряжение с коллектора транзистора Т₁ подается на дифференцирующую схему, которая, например, приведена на рис. 64. Что случится, если конденсатор С и резистор R взять с довольно малыми номиналами?

Н. — Если я не забыл твоих объяснений, на выходе этой схемы мы получим положительный импульс в момент t₀ (рис. 86), т. е. когда потенциал коллектор Т₁ резко повышается, а затем отрицательный импульс в момент t_1, когда транзистор Т₁ вновь отпирается, и потенциал его коллектора резко падает.

Рис. 86. Подавая сигнал с коллектора транзистора Т₁ схемы с одним устойчивым состоянием на дифференцирующую схему, можно получить отрицательный импульс в момент t₁ с некоторой задержкой по сравнению с пусковым импульсом.

Л. — Незнайкин, ты все меньше и меньше соответствуешь своему имени! Сказанное тобой абсолютно правильно. Предположим, что в этих условиях я с помощью диода уберу положительный импульс, останется только отрицательный импульс, появляющийся в момент t₁. Такой импульс задержан относительно пускового импульса на время, которое зависит только от номиналов резисторов и конденсаторов схемы (рис. 84). Таким образом, мы сделали схему задержки импульсов: если подать импульс в точку А, то из нашего устройства импульс выйдет с хорошо известной задержкой, длительность которой можно изменять от долей микросекунды до нескольких секунд путем соответствующего подбора элементов схемы.

Н. — Ну, за это изобретение я тебя поздравлять не собираюсь! Мы постоянно слышим, что радиоэлектронике свойственна быстрота, а ты изобрел способ создавать опоздания — ты идешь против прогресса.

Применение устройств задержки

Л. — Незнайкин, не играй словами. При выполнении последовательного ряда операций довольно часто бывает необходимо содержать сигнал на регулируемый отрезок времени. К такому способу, в частности, прибегают, когда с помощью сигнала хотят иметь систему единого времени для включения изучаемого процесса и начала развертки осциллографа, предназначенного для наблюдения этого процесса. Сигнал включают с определенной задержкой, а осциллограф — без задержки. Благодаря этому мы можем превосходно следить за процессом по экрану осциллографа, так как его развертка включается до начала процесса.

Н. — Скажи, пожалуйста, Любознайкин, а не разумнее было бы включить осциллограф с некоторым опережением относительно явления, чем задерживать начало явления?

Л. — Тогда, Незнайкин, открой мне секрет «схемы опережения», где следствие появляется раньше причины, его породившей, т. е. способной давать импульс на выходе раньше, чем был подан импульс на ее вход, и я гарантирую тебе, во-первых, всемирную известность, а затем крупный успех в академических кругах!

Н. — Правильно, а я об этом не подумал. Значит, опережающему осциллографу предпочитают отстающее явление… положительно все относительно в подлунном мире.

Л. — Я позволю себе спуститься из высоких философских сфер на нашу бренную землю, чтобы напомнить тебе, что уже довольно поздно. Я не хотел бы стать причиной язвительного объяснения Поленьки с тобой…

Н. — Ты совершенно прав, и мы продолжим нашу беседу в следующий раз.

Н. — Итак, подведем итоги. Если я правильно тебя понял, имеются две возможности: 1) транзистор работает только в запертом состоянии и в состоянии насыщения, и тогда на коллекторе рассеивается незначительная мощность; 2) транзистор постепенно переходит от запертого состояния к состоянию насыщения, и тогда он должен обладать способностью рассеивать 0,22 вт. Но в таком состоянии, когда он рассеивает 0,22 вт, транзистор находится очень короткое время (напряжение на выводах катушки составляет всего лишь половину номинального, и вполне вероятно, что в этих условиях реле не сработает). Поэтому можно взять транзистор, рассчитанный на 150 мвт или даже на еще меньшую мощность.

Л. — Нет, Незнайкин, при работе с транзисторами нельзя рассуждать так же, как при работе с лампами. Даже на очень короткое время нельзя допускать превышения теоретических пределов рассеяния. Транзисторный переход обладает очень небольшой термической инерцией, иначе говоря, его температура поднимается очень быстро вслед за изменением рассеиваемой мощности. Лампы отличаются большим запасом прочности, например, лампа, предназначенная для рассеяния на ее аноде не более одного ватта, может в течение нескольких секунд выдержать 4 или даже 5 вт при условии, что она не очень часто будет подвергаться такому испытанию. Установленные для транзистора, пределы необходимо выдерживать значительно строже. Кроме того, анод лампы разогревается довольно долго, тогда как нагревание перехода в транзисторе продолжается всего лишь несколько миллисекунд. И, наконец, следует сказать, что нет абсолютно никаких доказательств, что в один прекрасный день система не окажется в таком состоянии, когда транзистор рассеивает 0,22 вт (т. е. в самом неблагоприятном режиме).

Н. — Так, значит, использовать транзистор меньшей мощности невозможно?

Л. — Вполне возможно, но для этого необходимо управлять транзистором, например, с помощью триггера Шмитта, чтобы транзистор всегда был заперт или насыщен и никогда не мог оказаться в промежуточном состоянии. Но тогда вновь придется столкнуться с неприятностями, уже упоминавшимися в связи со слишком быстрыми изменениями коллекторного тока. Возникает опасность появления значительных перенапряжений, от которых в качестве защиты придется использовать диод или варистор.

Н. — А нельзя ли в этом случае между триггером Шмитта и базой транзистора включить небольшой фильтр низких частот такого типа, который ты называешь интегрирующей схемой. Тогда переход от насыщения к запиранию все равно происходил бы достаточно быстро и транзистор очень небольшое время пребывал в неблагоприятном состоянии, рассеивая 0,22 вт, но в то же время переход был бы не настолько быстрым, чтобы вызвать значительное перенапряжение.

Л. — Превосходно рассудил, Незнайкин, но может случиться, что приемлемый компромисс будет трудно найти. Во всяком случае, при передаче импульса с крутым фронтом на базу транзистора, в Цепь коллектора которого включена катушка, настоятельно рекомендуется снизить крутизну фронта с помощью интегрирующей схемы. А теперь, если у тебя есть желание, мы рассмотрим другую категорию исполнительных элементов, какими являются двигатели.

Н. — Эти устройства отличаются большой сложностью, и я имею о них довольно смутное представление.

Двигатель постоянного тока

Л. — Я несколько сомневаюсь в справедливости твоих слов, и поэтому мы немного займемся электротехникой. Начнем с двигателя постоянного тока. Посмотри, что я нарисовал на рис. 96.

Рис. 96. Схематическое изображение принципа действия электродвигателя. Виток помещен в магнитное поле NS, создаваемое постоянным магнитом; протекающий по витку ток создает магнитное поле N'S', которое, взаимодействуя с полем магнита, поворачивает виток.

Большой подковообразный магнит создает горизонтальное магнитное поле; в этом поле я поместил горизонтально расположенный виток провода и пропустил по нему ток. Забудем на минуту о магните; скажи, пожалуйста, что произойдет с нашим витком под воздействием протекающего по нему тока?

Н. — О, это я знаю. Виток превратился в нечто аналогичное совершенно плоскому магниту; северный полюс этого магнита расположится сверху, а южный — снизу.

Л. — Абсолютно верно. Но скажи, Незнайкин, как, по твоему мнению, постоянный и неподвижный магните горизонтальным магнитным полем будет воздействовать на виток, обладающий вертикальным магнитным полем?

Н. — Я полагаю, что оба магнита будут воздействовать друг на друга и в результате такого взаимодействия магнит или виток повернулся.

Л. — Так как магнит прочно укреплен, повернется виток, он будет стремиться подвести свой северный полюс к южному полюсу магнита. Если виток укрепить на оси, то повернется и эта ось.

Н. — Мне не хотелось бы тебя огорчать. Любознайкин, но, если я правильно понимаю, «двигатель Любознайкина» может повернуться только на четверть оборота, иначе говоря, он очень мало меня интересует.

Л. — Не торопись с подобной критикой. Если бы у меня был только один подобный виток, то он (я в этом с тобой полностью согласен) смог бы повернуться только на четверть оборота. Но я хитрей, чем ты думаешь. Я укреплю на оси несколько витков, несколько сместив один относительно другого, чтобы они могли работать поочередно.

Н. — Но тогда нужно приставить специального человека, который посылал бы ток в различные витки. Он должен поворачиваться очень быстро и посылать ток именно в нужный виток.

Коллектор и щетки

Л. — Начнем с того, что предложенному тобой человеку вообще нечего делать, потому что по мере вращения оси витки сами будут проходить поочередно перед ними. Посмотри на рис. 97, где я нарисовал два витка и обозначил их цифрами 1 и 2.

Рис. 97. Чтобы изображенный на предыдущем рисунке двигатель мог повернуться более чем на 1/4 оборота, пришедший в движение виток 1 заменяют витком 2.

Как ты видишь, витки заканчиваются небольшими пластинками, при соединении которых со щетками В и В' по виткам протекает ток. Когда виток 1 расположен горизонтально (или немного наклонно) щетки В и В' подают ток в него. Когда (под воздействием магнита на создаваемое этим витком магнитное поле) ось начнет вращаться, ток перестанет поступать в виток 1, но в это время его место займет виток 2, в котором и начнет протекать ток через щетки В и В'.

Н. — Очень хитрая система. Значит ты расположишь перпендикулярно два витка, которые будут работать поочередно.

Л. — Я поставлю не два, а значительно большее количество витков, следовательно, больше придется поставить и пластинок. Реальная конструкция витков намного сложнее, но и описанная мной система вполне пригодна для практического использования. Таким образом, мы создали двигатель постоянного тока. Барабан из пластинок, вращающийся между щетками и поочередно подключающий к ним различные витки, называется коллектором. Иногда для создания магнитного поля, воздействующего на витки, используют постоянный магнит, как это показано на рис. 96, но часто предпочтение отдают электромагниту. Его катушку называют обмоткой возбуждения, а вращающуюся катушку — обмоткой якоря.

Н. — По сути дела электрический двигатель не так сложен, как я думал.

Л. — Правильно, в принципе это очень просто. Видишь ли, Незнайкин, вся хитрость конструкции двигателя заключается в использовании силы воздействия поперечных силовых линий магнитного поля на электрический ток. На заре электротехники думали использовать силу электромагнита, притягивающего железо. Эта сила в большей степени зависит от расстояния между электромагнитом и куском железа и поэтому требует создания сложной системы переключения катушек. Это обстоятельство побудило ряд очень серьезных авторов заявить, что электрический двигатель осужден окончательно и бесповоротно и что его никогда и нигде, кроме как в игрушках, использовать не удастся. К счастью, после этого подумали об использовании боковых сил. Попутно скажу тебе, что якорь обычно делают не из одного куска металла, а набирают из пластин, как трансформаторы, чтобы избежать возникновения вихревых токов. В якоре прорезают канавки, куда укладывают витки провода, о которых я тебе уже говорил. Стальные детали в форме полумесяца, именуемые полюсными наконечниками (потому что они соединены с полюсами магнита или электромагнита), расположены почти вплотную к якорю, чтобы облегчить замыкание в нем магнитных силовых линий. А теперь, Незнайкин, я задам тебе каверзный вопрос. Что случится, если я возьму двигатель постоянного тока с постоянным магнитом и начну вращать его якорь?

Динамомашина

Н. — О, своим вопросом ты ставишь меня в довольно затруднительное положение. Я полагаю, что раз витки провода пересекают магнитное поле, в этих витках должно наводиться напряжение.

Л. — Совершенно верно; благодаря щеткам и коллектору проводник, в котором магнитный поток изменяется наиболее быстро, всегда окажется соединенным через щетки с внешней цепью, и наш двигатель превратится в источник электрического тока.

Н. — Согласен, я внимательно следил за твоими объяснениями, но хотел бы знать, какова будет частота этого тока?

Л. — Тебе, Незнайкин, придется немало потрудиться, чтобы ее найти, потому что она равна нулю… На практике наша машина не даст строго постоянного тока: когда щетки будут покинуты парой пластин коллектора, сменяемой другой парой, в цепи возникнут небольшие колебания. Но так как очередной подключаемый к щеткам виток вращающегося якоря всегда занимает одно и то же положение относительно магнита, то ток во внешней цепи, подключенной к щеткам, будет всегда протекать в одном направлении. Таким образом, мы создали прибор, который называется динамомашиной.

Н. — Одно обстоятельство меня серьезно беспокоит, я не вижу никакой разницы между двигателем и динамомашиной!

Л. — Ты прав, Незнайкин, потому что конструктивно это абсолютно одно и то же. Все сводится только к вопросу об использовании. Если я вращаю якорь, затрачивая механическую энергию, и собираю произведенную электроэнергию, то я использую наш прибор как динамомашину; если я подаю ток в якорь, затрачивая электрическую энергию, и применяю полученную механическую энергию, то я использую его как электродвигатель.

Противоэлектродвижущая сила

Н. — Согласен, но и здесь один вопрос меня беспокоит. Когда мы заставим наш прибор работать как электродвигатель, а он на это время не забудет, что может быть динамомашиной… Тогда он в свою очередь начнет производить электрический ток, который наложится на тот, что мы ему подаем… Что же будет делать этот ток, помогать или мешать?

Л. — Превосходно рассудил, Незнайкин, но ты мог бы сам найти ответ на свой вопрос, вспомнив о противоречивом характере индукции, ты можешь быть заранее уверен, что создаваемая нашим прибором э. д. с. (так как он всегда остается динамомашиной) будет противостоять тому току, который мы создаем внешним источником, чтобы заставить работать прибор как двигатель. Эту препятствующую э. д. с. называют противоэлектродвижущей силой двигателя.

Н. — Но это уже ужасно! В двигателе не будет никакого тока, и он перестанет вращаться… Но если он перестанет вращаться, исчезнет противо-э. д. с. и он опять начнет вращаться… Я чувствую, что схожу с ума!

Л. — Не нервничай, Незнайкин, все это намного проще. Представь себе, что я подаю на двигатель некоторое напряжение, в результате по виткам якоря потечет ток, частота вращения будет нарастать. По мере увеличения частоты вращения повышается и противо-э. д. с. Через некоторое время наступает момент, когда она станет достаточно близкой к приложенному напряжению, в результате чего разность между этими двумя напряжениями пропустит в двигатель относительно небольшой ток. Этого тока будет достаточно только для поддержания вращения: полученная механическая энергия целиком уйдет на преодоление силы трения. Теперь заставим двигатель выполнять работу и для этого подключим к нему какую-нибудь нагрузку. Движение двигателя несколько замедлится, что вызовет уменьшение противо-э. д. с., которая перестанет (в такой мере, как раньше) уравновешивать приложенное к двигателю напряжение, благодаря чему ток в двигателе возрастет и даст ему достаточную механическую энергию, чтобы справиться с увеличившейся нагрузкой.

Н. — Это, кажется, я понял. Но мне хотелось бы получить некоторые разъяснения относительно понятий силы торможения и частоты вращения.

Крутящий момент двигателя

Л. — Все это исключительно просто. Если ты силой остановишь якорь двигателя, то его желание вращаться (которое называют крутящим моментом; определение я дам тебе несколько позднее) будет пропорционально величине поступающего в якорь тока. Увеличь вдвое ток, и тем самым ты удвоишь желание двигателя вращаться. Для большей правильности выражений говорят о крутящем моменте двигателя. Этот момент характеризуется весом, который может поднять двигатель, когда этот вес привязан к шнуру, намотанному на укрепленный на оси барабан.

Радиус барабана имеет в этом случае определенную величину. Так, например, мы можем сказать, что крутящий момент двигателя при токе 1 а в его якоре 0,3 кг·см, если этот двигатель при токе в якоре не менее 1 а, способен оторвать от пола груз массой в 0,3 кг, привязанный к шнуру, намотанному на барабан радиусом 1 см, который укреплен на оси двигателя.

Н. — О! Это страшно сложно. Но зачем понадобилось здесь указывать диаметр барабана?

Л. — Да потому, что если я намотаю шнур на барабан очень малого диаметра, то даже двигатель малой мощности сможет поднять значительный груз, только поднимать он будет очень медленно, так как за каждый оборот будет выбирать совсем короткий кусочек шнура. И наоборот, значительно более почетно поднять такой же груз при большем диаметре барабана, потому что при такой же частоте вращения двигателя груз поднимается намного быстрее.

Н. — Судя по твоим объяснениям, протекающий по двигателю ток позволяет определить его желание вращаться (или, как ты говоришь, его крутящий момент, но я пока еще остерегаюсь употреблять этот термин, который остается для меня довольно таинственным).

Л. — Ты правильно понял, а теперь нам предстоит познакомиться еще с одним понятием — со скоростью двигателя для данного напряжения. Предположим, что двигатель полностью освобожден от трения, тогда противо-э. д. с. строго соответствует прилагаемому напряжению. Иначе говоря, когда ты прикладываешь к якорю двигателя напряжение 10 в, он приходит в движение и разгоняется до такой скорости, на которой двигатель в случае его использования в качестве динамомашины дал бы напряжение 10 в. В этот момент протекающий по якорю ток почти равен нулю. Впрочем, это вполне логично, раз от двигателя не требуют никакого крутящего момента, ему достаточно лишь поддерживать установившееся при этом вращение своего якоря.

На самом же деле эти рассуждения справедливы только для двигателя на холостом ходу (т. е. не выполняющего никакой внешней работы) или для случая, когда обмотка якоря имеет очень низкое сопротивление.

Н. — Я начинаю понимать. Ноты неоднократно подчеркивал, что все рассказанное тобой относится к двигателю постоянного тока, и я надеюсь, что теперь ты перейдешь к более современным устройствам, а именно к двигателям переменного тока.

Работа на переменном токе

Л. — Я действительно собираюсь рассказать тебе о двигателях переменного тока, но, пожалуйста, не думай, что они более совершенные. Они имеют свои преимущества и свои недостатки, но если требуется большой крутящий момент в начале пуска и способность хорошо приспосабливаться к изменяющимся условиям работы, лучшем несомненно окажется двигатель постоянного тока.

Но прежде чем рассказать тебе о двигателях, сконструированных специально для переменного тока, я задам тебе один вопрос; что произойдет, если включить в цепь переменного тока двигатель, якорь и коллектор которого рассчитаны на постоянный ток?

Н. — Я полагаю, что это ему совсем не понравится!

Л. — Я спрашиваю тебя не о его настроении, а о физических явлениях, которые могут произойти в двигателе.

Н. — Я думаю, что он начнет вибрировать, вращаясь чуть-чуть то в одну, то в другую сторону… до тех пор, пока вконец не испортится.

Л. — Ты прав, если мы возьмем двигатель, у которого статором служит постоянный магнит. У таких двигателей направление вращения действительно изменяется при изменении направления, протекающего по якорю тока. Совершенно другая картина получится, если мы возьмем двигатель, статор которого представляет собой электромагнит, а его катушка включена последовательно с обмоткой якоря, как это очень часто делают (рис. 98); при изменении направления тока произойдет перемагничивание электромагнита. В этих условиях при любом направлении тока, протекающего в обмотке якоря и соединенной с нею последовательно обмотке статора, двигатель всегда будет вращаться в одну сторону.

Рис. 98 В универсальном двигателе последовательного возбуждения обмотка статора включается последовательно с обмоткой якоря.

Н. — Ты очень неудачно шутишь. Так ты утверждаешь, что изменить направление движения такого двигателя невозможно?

Л. — Можно и несложно. Для этого нужно изменить направление тока в якоре и оставить без изменения направление тока в статоре. Достаточно переключить выводы электромагнита статора или якоря, и двигатель изменит направление вращения. Но если одновременно изменить направление тока и в якоре и в статоре, то направление вращения двигателя останется прежним. Поэтому, если такой двигатель питать переменным током, он всегда будет вращаться в одну сторону. Должен сказать, что это получило широкое распространение, и поэтому двигатель, в котором возбуждение статора осуществляется током, прошедшим через якорь, называется универсальным двигателем. Такой двигатель работает от постоянного тока, работает и от переменного, хотя и не так хорошо.

Н. — Почему не так хорошо? Он считает, что его обидели?

Двухфазный двигатель

Л. — Незнайкин, где твоя серьезность? Если он не так хорошо работает на переменном токе, то причина заключается просто в том, что переменный ток часто сам себя подавляет, а при небольшом значении он сообщает двигателю малый крутящий момент. Кроме того, наш двигатель обладает некоторой самоиндукцией, препятствующей прохождению переменного тока по обмоткам. А теперь мы рассмотрим принципиально иной двигатель, рассчитанный для работы только от переменного тока и успешно применяющийся в самых различных условиях, я имею в виду двухфазный двигатель. Посмотрим на рис. 99. Я взял электромагнит, аналогичный обычному статору классического двигателя, и пустил в его обмотку переменный ток. Какое магнитное поле образуется между полюсными сердечниками?

Рис. 99. Протекающий по обмоткам переменный ток создает переменное магнитное поле.

Н. — Сначала скажи, правильно ли я понял, что полюсными сердечниками ты называешь выступы, на которые надета обмотка?

Л. — Совершенно верно, они снабжены полюсными башмаками, почти вплотную подходящими к якорю, но вернемся к моему вопросу.

Н. — Я полагаю, что магнитное поле пойдет от одного полюсного сердечника к другому. Сначала по мере повышения тока оно будет увеличиваться, потом снизится до нуля, после чего опять начнет увеличиваться в обратном направлении.

Л. — Совершенно верно, а теперь мы введем вторую обмотку и усложним картину. Как ты видишь на рис. 100, это вторая обмотка стремится создать магнитное поле, направленное перпендикулярно первому. Я посылаю во вторую обмотку переменный ток такой же частоты, как и в первую, но запаздывающий относительно него на четверть периода (сдвиг по фазе на 90°).

Рис. 100. С помощью двух пар катушек, по которым протекает сдвинутый по фазе переменный ток, можно создать вращающееся магнитное поле. Помещенный в это поле магнит вращается со скоростью вращения самого поля. На таком принципе устроен синхронный двигатель. Замкнув накоротко витки обмотки якоря, получают асинхронный двигатель.

Н. — Начало не предвещает ничего хорошего! Как только речь заходит о фазах, все сразу становится дьявольски сложно.

Л. — Не так уж страшно, если ты будешь внимательным. Ток I₂, который я посылаю в обмотку 2 (рис. 101), отстает на четверть периода от тока I₁, протекающего по обмотке 1. Иначе говоря, ток в обмотке 2 равен нулю, когда ток в обмотке 1 достигает максимума. В момент, когда он в свою очередь достигает положительного максимума, ток в обмотке 1, пройдя положительный полупериод, падает до нуля. В этих условиях магнитное поле ведет себя совершенно особым образом. Сначала, когда ток в обмотке 1 имеет максимальное положительное значение, магнитное поле направлено слева направо. Ток в обмотке 1 снижается, и одновременно увеличивается ток в обмотке 2. В этих условиях появляется вертикальное поле, направленное снизу вверх, которое нарастает по мере уменьшения горизонтального поля, ориентированного слева направо.

В конце четверти периода существует только поле, направленное снизу вверх, и оно сразу же начинает убывать, потому что в этот момент начинает снижаться ток, протекающий по обмотке 2. В этот же момент в обмотке 1 вновь появляется ток, но он течет в направлении, обратном первоначальному, что обычно обозначается знаком минус. Этот ток порождает небольшое магнитное поле, идущее налево. Некоторое время спустя, когда ток, протекая в обмотке 1 в противоположном направлении, достигает максимального значения (в обмотке 2 ток равен нулю), существует только поле, направленное налево, и оно достигает максимума. Протекающий по обмотке 1 отрицательный ток уменьшается (по абсолютному значению), а в это время в обмотке 2 появляется отрицательный ток, дающий нам вертикальное магнитное поле, которое на этот раз направлено сверху вниз.

Когда ток в обмотке 1 вновь станет равным нулю, в нашем статоре останется только поле, направленное сверху вниз. В этот момент ток в обмотке 2 начнет уменьшаться по абсолютному значению, а в обмотке 1 появится положительный ток, порождающий магнитное поле, направленное слева направо. На самом же деле создаваемые обмотками 1 и 2 магнитные поля в каждый момент складываются и образуют единое магнитное поле, которое в общем случае наклонено относительно осей 1 и 2 и приближается к вертикали, если протекающий в обмотке 2 ток значительно больше тока, протекающего по обмотке 1, и наоборот.

Рис. 101. Токи, возбуждающие две обмотки двухфазного двигателя, сдвинуты по фазе на 90° относительно друг друга; максимальное значение одного соответствует нулевому значению другого.

Вращающееся поле

Н. — Это действительно ужасно сложно. Но я, кажется, понял, что там происходит исключительно странное явление: — магнитное поле как бы вращается.

Л. — Не кажется, а на самом деле вращается. Описанным способом мы создали так называемое вращающееся магнитное поле.

Введи в это поле постоянный магнит, и он будет стремиться вращаться, в каждый момент следуя за перемещающимся полем, причем он будет вращаться с такой же скоростью, что и поле. Таким образом, мы создали двигатель, который называют синхронным.

Н. — Просто чудесный двигатель. Он обходится без коллектора: вращающимся элементом служит простой магнит. Да это рекорд простоты. И сверх того он вращается со строго известной частотой.

Л. — Разумеется, он обладает серьезными достоинствами. Но я должен тебе сказать, что он имеет и не меньшее количество недостатков. Он может вращаться только с частотой вращения магнитного поля. Если его заставляют выполнять чрезмерную работу, он уже не может выдержать свою частоту вращения и, как говорят, выпадает из синхронизма и немедленно останавливается. Для нового запуска его иногда приходится раскручивать какой-либо механической системой до хорошей скорости, на которой он может войти в синхронизм. Поэтому я советую использовать этот двигатель в основном в тех случаях, где требуется строго известная частота вращения, например, для приведения в движение стрелок больших часов устройством, стабилизированным от кварцевого генератора. В более обычных случаях я настоятельно рекомендую чаще использовать асинхронный двигатель.

Якорь с короткозамкнутыми витками

Л. — Предположим, что в пространство между полюсными сердечниками с рис. 100 я поместил непрерывный ряд накоротко замкнутых витков из медного провода. Что произойдет?

Н. — Вероятно, ничего.

Л. — Ошибаешься. Разве ты забыл, что представляет собой явление индукции?

Н. — Не забыл, но это мало что изменяет. Твое вращающееся поле, разумеется, будет изменять магнитный поток в витках, в результате чего возникнут токи, но все это создаст лишь колоссальную неразбериху.

Л. — Совсем нет! Вспомни еще раз о противоречивом характере индукции. Возникающие вследствие воздействия наведенных напряжений токи будут воздействовать на поле, в результате чего появятся силы, которые попытаются привести витки в движение. Механические силы попытаются вращать все эти витки с частотой вращения магнитного поля. В результате магнитное поле станет неподвижным относительно витков и перестанет наводить в них ток. Происходит то, что обычно стремятся сделать магнитные силы, оказывая противодействие изменению породивших их потоков.

Н. — Теперь все представляется мне более или менее понятным. Но я не вижу, чтобы тебе удалось много выиграть по сравнению с синхронным двигателем. Все же значительно проще сделать якорь из простого магнита, чем из такого множества короткозамкнутых витков.

Л. — Прежде всего совсем не проще. Кроме того, новый двигатель обладает весьма существенным преимуществом: он запускается без посторонней помощи. При неподвижном якоре он не дает такого значительного крутящего момента, как двигатель постоянного тока, но тем не менее он способен прийти в движение без пусковых устройств. И затем, если мы попытаемся заставить его выполнить слишком большую работу, он не остановится, просто его якорь начнет вращаться медленнее магнитного поля и в витках появится наведенный ток. Двигатель будет вращаться со скоростью, близкой к скорости магнитного поля, и скольжение (сдвиг) относительно этой скорости будет тем больше, чем большую работу мы заставим его выполнять. Следовательно, это намного более гибкий в применении двигатель.

Н. — Я думаю, что двигатель такого типа устанавливают в пылесосах, электрических кофейных мельницах…

Л. — В таких машинах, где требуется большая частота вращения, чаще всего устанавливают двигатели универсального типа с коллектором и щетками. Видишь ли, Незнайкин, асинхронный двигатель не может вращаться быстрее магнитного поля, и, следовательно, при обычном переменном токе она дает нам не более 50 оборотов в секунду.

Н. — Но и это представляется мне уже великолепным результатом.

Л. — Но, по мнению специалистов, этого недостаточно для нормальной работы электрической кофейной мельницы, частота вращения которой должна быть по крайней мере в 3 раза выше (150 оборотов в секунду, или 9000 оборотов в минуту). Вот почему на такие машинки ставят универсальные двигатели. И, наоборот, в тех случаях, когда требуется значительная мощность и определенные удобства в работе, широко используются асинхронные двигатели. В частности, такой двигатель почти всегда приводит в действие стиральную машину. Мы же ограничимся использованием его в устройствах, именуемых сервомеханизмами, о которых нам еще предстоит поговорить. А сейчас мы коротко рассмотрим, каким образом подают ток в двигатели постоянного тока и в асинхронные двигатели.

Питание двигателей

Н. — Само собой разумеется, что значительно проще снабжать энергией асинхронный двигатель. Он требует переменного тока, а усилитель такого типа сделать совсем нетрудно.

Л. — Отчасти ты прав, но при использовании асинхронного двигателя возникает одна небольшая проблема. Ему необходимо подавать два различных тока.

Н. — Я не вижу, почему это тебя беспокоит; мы просто поставим два усилителя.

Л. — Проще питать одну пару катушек переменным током с постоянной амплитудой, а во вторую пару подавать ток со сдвигом фазы относительно первого. Для получения второго тока можно использовать усилитель. Полученное магнитное поле будет вращаться немного неравномерно, но таким образом нам удастся изменять частоту вращения двигателя путем изменения напряжения на выходе усилителя.

Н. — Да, но одно обстоятельство здесь меня беспокоит. Направление вращения такого двигателя невозможно изменить, потому что о переменном токе нельзя сказать, положительный он или отрицательный.

Л. — Совершенно верно, но о нем можно сказать, отстает он или опережает на четверть периода ток, протекающий в паре катушек, питаемых непосредственно от сети. Поэтому, изменив полярность выхода усилителя, питающего другую пару катушек, можно изменить направление вращения двигателя.

Н. — Мне неясно, что ты понимаешь под выражением «изменив полярность выхода»… переменный ток всегда переменный!

Л. — Не торопись. Посмотри схему, приведенную на рис. 102…

Рис. 102. В зависимости от расположения подвижных контактов потенциометров R₁ и R₂ переменное напряжение на выходе усилителя А находится в фазе или в противофазе с напряжением, приложенным к R₁ и R₂.

Н. — Я ее давным-давно знаю, это мост Уитстона.

Л. — О! Сегодня, Незнайкин, ты в превосходной форме. Это действительно мост Уитстона. Предположим, что оба подвижных контакта потенциометров R₁ и R₂ находятся в средних положениях, что в этом случае поступит на вход усилителя А?

Н. — Но… ровным счетом ничего.

Л. — В самом деле, на вход поступит «нулевое напряжение». А теперь, оставив на прежнем месте подвижный контакт потенциометра R₂, переместим контакт R₁ сначала вверх, а потом вниз. Как ты видишь, подаваемое на вход усилителя напряжение может быть в фазе или в противофазе с напряжением, поступающим на потенциометры.

Н. — А не лучше было бы говорить о положительном или отрицательном переменном напряжении?

Л. — Мне этот термин не нравится и я предпочитаю говорить «в фазе» или «в противофазе». Тебе, Незнайкин, вероятно, уже приходилось включать последовательно две вторичные обмотки трансформатора, чтобы получить напряжение, равное сумме напряжений, снимаемых с этих вторичных обмоток?

Н. — Да, я помню о таком случае. Это одно из самых позорных пятен моей карьеры радиста. У меня был трансформатор с двумя вторичными обмотками, дававшими каждая по 6 в. Я соединил их последовательно, чтобы получить 12 в, но вместо этого я получил напряжение, равное абсолютному нулю.

Л. — Значит ты, Незнайкин, включил свои вторичные обмотки последовательно, но в противофазе. Поменяв местами выводы одной из обмоток, ты получил бы 12 в. Впрочем тебе повезло, что не было надобности включать эти обмотки параллельно, потому что в этом случае включение в противофазе равносильно настоящему короткому замыканию. Следовательно, как ты видишь, мы можем подавать на вспомогательную обмотку двухфазного двигателя переменное напряжение, способное заставить его вращаться в ту или в другую сторону (в зависимости от фазы этого переменного напряжения) и с большей или меньшей частотой (в зависимости от амплитуды этого напряжения).

Питание двигателя постоянного тока

Н. — Надеюсь, что при использовании двигателя постоянного тока ты не будешь питать его током транзистора или лампы?

Л. — Я буду тебе очень признателен, если ты сможешь показать закон, запрещающий так поступать. Транзистор как раз очень хорошо подходит для такой работы, так как легче всего сделать двигатель с небольшим количеством витков из толстого провода, иначе говоря, рассчитанный для работы при относительно низком напряжении и большом токе. Поэтому для приведения в действие двигателя широко используются транзисторы. Но в этом случае необходимо обращать внимание на некоторые моменты. Включая якорь двигателя в цепь коллектора транзистора, мы практически устанавливаем значение протекающего по этому якорю тока (до тех пор, пока на выводах транзистора еще имеется напряжение, т. е. пока транзистор еще не находится в состоянии насыщения). Следовательно, этим самым мы устанавливаем значение даваемого двигателем крутящего момента.

Когда транзистор входит в состояние насыщения, т. е. когда на его выводах больше нет напряжения, напряжение на выводах двигателя становится равным напряжению питания и больше повышаться не может. Следовательно, этим ограничивается частота вращения двигателя.

Н. — Но одно обстоятельство здесь меня беспокоит: двигатель постоянного тока обладает способностью одинаково хорошо вращаться в любую сторону. В этом случае отпадает ужасная проблема с фазой и противофазой, потому что для изменения направления вращения двигателя достаточно изменить направление тока в якоре и оставить без изменения направление тока в статоре. Однако коллекторный ток транзистора может иметь только одно направление. Как решить эту проблему?

Л. — Возможно несколько решений. Так, например, ты можешь привести в действие двигатель усилителем с последовательным пушпульным выходным каскадом, схему которого я показывал тебе на рис. 52. Следует сказать, что это самое простое решение.

Н. — Но есть еще одно беспокоящее меня обстоятельство. В некоторых случаях может потребоваться двигатель очень большой мощности, и я не уверен, что мне легко удастся найти транзисторы, способные пропускать несколько десятков ампер и выдерживать напряжение в несколько сотен вольт.

Электромагнитный усилитель

Л. — Найти-то их можно, но стоят они действительно очень дорого. Для этого случая имеется одно изящное решение — использовать в качестве усилителя динамомашину (такое устройство часто называют электромашинным усилителем).

Н. — Скорее расскажи мне, что это такое. Я знаю, что усиливать могут лампы и транзисторы, но я никогда не подозревал, что в качестве усилителя может выступать скромная динамомашина, установленная, как я знаю, под капотом моего автомобиля.

Л. — О, это исключительно просто. Представь себе (рис. 103) динамомашину, приводимую в движение электродвигателем. Если я не подам тока в обмотку электромагнита, который служит статором динамомашины, то она не даст на щетки никакого тока. Но чем больше тока пошлю я в обмотку статора, тем более высокое напряжение появится на щетках динамомашины.

Рис. 103. Динамомашина, приводимая в движение электродвигателем, дает на своих щетках ток, пропорциональный току, протекающему в ее статоре.

Для получения на щетках динамомашины электроэнергии очень большой мощности достаточно относительно небольшой мощности возбуждения статора. Практически энергию дает электродвигатель, вращающий динамомашину, тогда как протекающий по статору динамомашины ток служит лишь для создания магнитного поля, что возможно достичь затратой небольшой энергии, если согласиться намотать большое количество провода.

Н. — Чудесно! Так, значит, ток с этой динамомашины ты посылаешь в двигатель, которым ты должен управлять, а транзисторный усилитель используешь только для регулирования тока в обмотке статора динамомашины?

Л. — Совершенно верно. В такой системе усилитель, собранный на самых обычных и дешевых транзисторах, позволяет регулировать частоту вращения двигателя мощностью в несколько киловатт. Я уже воспользовался этим способом и с помощью очень скромного усилителя управлял вращением многотонной башни радиолокационной антенны.

Н. — В самом деле очень эффективное решение, но один момент меня очень огорчает! В этом случае ты вынужден устанавливать три машины: двигатель, вращающий динамомашину-усилитель, саму динамомашину и двигатель, в который ты посылаешь ток этой динамомашины. Поистине колоссальное достижение в наш век миниатюризации!

Л. — Ты назвал весьма существенный недостаток системы, но, кроме того, приходится сталкиваться с некоторыми трудностями, возникающими из-за остаточного магнетизма в статоре динамомашины, для устранения которых требуются довольно сложные системы коррекции. Поэтому параллельно разработали другой чрезвычайно хитроумный способ, заключающийся в питании двигателя постоянного тока с помощью тиратронов.

Управление с помощью тиратронов

Н. — Но тогда твой двигатель начнет выделывать пилообразные движения!

Л. — Ты уже наговорил немало нелепостей, но до такой еще не доходил… Но поговорим серьезно. Действительно, в некоторых схемах, о которых я тебе уже говорил, тиратрон используется для получения пилообразного напряжения. В нашем же случае мы используем тиратрон совершенно иначе — ток тиратрона мы пошлем в обмотку якоря двигателя.

Н. — Да от этого двигатель придет в ужас: ток тиратрона состоит из очень коротких и очень мощных импульсов.

Л. — Так тиратрон ведет себя в схемах генераторов пилообразных сигналов. Но он может работать совершенно иначе, если, например, мы используем его основное качество: после зажигания тиратрон начинает пропускать ток и он может продолжать пропускать его, если анодный ток поступает не через конденсатор, а через какой-либо другой прибор.

Н. — Но ты сам себе противоречишь, Любознайкин! Ты неоднократно обращал мое внимание на то, что после зажигания тиратрона проходящий по нему ток может достигать чрезвычайно высоких значений и что для его ограничения необходимо даже принимать специальные меры предосторожности.

Л. — Именно это мы и сделаем. Если в анодную цепь тиратрона последовательно включить резистор и источник напряжения, то после зажигания тиратрона ток будет вести себя исключительно разумно и не превысит установленного для него законом Ома значения. Напряжение на выводах тиратрона будет незначительным и большим на выводах резистора, проходящий по тиратрону ток будет ограничен сопротивлением этого резистора.

Н. — Такое применение тиратрона представляется мне довольно странным, но пусть будет так. Мы получили средство направлять ток в двигатель. Но кроме возможности пускать ток в двигатель путем включения тиратрона подачей сигнала на его сетку мы мало что выиграли по сравнению с тем, что могло бы дать нам простое реле.

Питание переменным током

Л. — Твое замечание совершенно справедливо для тех случаев, когда в качестве источника питания для тиратрона используется источник постоянного напряжения. Но картина станет совсем иной, если питание-на двигатель с последовательно ему включенным тиратроном подавать от источника переменного напряжения.

Н. — Я думаю, что здесь ты воспользуешься одним из универсальных двигателей, которые соглашаются работать и от переменного тока?

Л. — Совсем нет, мы используем хороший двигатель постоянного тока и даже с высокостабильным возбуждением статора, если только это не постоянный магнит.

Н. — Мне, кажется, лучше немедленно уйти отсюда! Ведь ты сам, Любознайкин, говорил мне, что направление вращения такого двигателя зависит от направления тока в его якоре!

Л. — Пожалуйста, не нервничай. Конечно, в этом случае протекающий по обмотке якоря двигателя ток не будет постоянным, но он по крайней мере будет выпрямленным, потому что тиратрон может ионизироваться только тогда, когда его анод положителен относительно его катода. Следовательно, ток в обмотке двигателя всегда будет протекать в одном направлении, но он будет протекать только в течение половины каждого периода, когда анод тиратрона положителен относительно его катода.

Н. — Хорошо, с этим я согласен. Но я не очень понимаю, что же мы выиграли: если сетка достаточно отрицательна, тиратрон не зажигается, двигатель не вращается. Если ты сделаешь сетку положительной или хотя бы создашь на ней нулевой потенциал, тиратрон все время будет в ионизированном состоянии и тогда его безболезненно можно заменить простым выпрямителем.

Л. — В своих рассуждениях ты рассматриваешь только крайние случаи и поэтому не замечаешь достоинств нашего устройства, а они есть, и немалые. Предположим, что я посылаю на сетку тиратрона импульсы, но могу изменять момент их прихода в пределах полупериода, когда анод положителен относительно катода. Как ты видишь, когда эти импульсы приходят в самом начале этого полупериода, как это показано на рис. 104, выпрямленный ток протекает по обмоткам двигателя почти в течение всего полупериода.

Рис. 104. Если пусковые импульсы подаются на сетку тиратрона примерно в начале полупериода анодного напряжения, то анодный ток протекает в течение большей части этого полупериода; среднее значение анодного тока в этом случае наибольшее.

Когда же эти импульсы приходят позднее, как это показано на рис. 105, ты легко можешь заметить, что тиратрон ионизируется совсем незадолго до момента, когда он сам по себе должен погаснуть, потому что его анод вновь становится отрицательным относительно катода.

Рис. 105. Когда пусковые импульсы поступают позднее, среднее значение анодного тока снижается.

Н. — Так это же настоящая сенсация! Этот тиратрон работает точно так, как выпрямитель, если бы им можно было управлять.

Л. — Именно поэтому его часто называют управляемым вентилем. Впрочем, полупроводниковый эквивалент тиратрона тоже называется управляемым кремниевым вентилем.

Полупроводниковые тиратроны (тиристоры)

Н. — Значит, есть полупроводниковые приборы, которые работают как тиратроны?

Л. — Да есть, и работают они превосходно. Сейчас я расскажу тебе о них, не особенно вдаваясь в подробности их устройства. Полупроводниковые тиратроны состоят из четырех последовательно расположенных слоев р, n, р и n. Первый слой р называется анодом, а последний слой n — катодом. Соприкасающийся с катодом слой р снабжен выводом (управляющий электрод), третий слой не имеет вывода, но тем не менее играет важную роль в работе всего прибора. Обычно такой тиратрон рассчитывается на определенное напряжение, например 200 или 400 в. Это напряжение он выдерживает как в прямом, так и в обратном направлениях. Возбуждается или запускается такой тиратрон управляющим электродом, для чего, точно так же как и в газонаполненном тиратроне, необходимо сделать анод положительным относительно катода. Различие между этими приборами заключается в том, что в газонаполненном тиратроне на управляющий электрод подается напряжение, в полупроводниковом — ток. После возбуждения полупроводникового тиратрона протекающий по нему ток ограничивается только внешней цепью, ибо он накоротко замыкает эту цепь или, вернее говоря, ведет себя как хороший кремниевый выпрямительный диод; падение напряжения на его выводах не превышает 1 в. Ты видишь, какими преимуществами обладает он по сравнению с газонаполненным тиратроном, у которого в зажженном состоянии падение напряжения на выводах часто составляет полтора десятка вольт.

Кремниевый тиратрон возбуждается при токе в несколько миллиампер в его управляющем электроде, после чего он работает как выпрямляющий диод до тех пор, пока в его анодной цепи поддерживается ток, превышающий несколько миллиампер. Для устранения возбуждения достаточно накоротко замкнуть тиратрон, что вызовет падение напряжения на нем ниже одного вольта. Устранить возбуждение также можно, прервав протекающий по нему ток или сделав его анод отрицательным относительно катода, что в принципе сводится к тому же. Чтобы показать, насколько полупроводниковый тиратрон близок к простому выпрямительному диоду, которым можно было бы управлять, для него приняли почти такое же, как для диода, схемное обозначение (я воспроизвел его на рис. 106). Отличие от условного обозначения выпрямительного диода заключается лишь в наличии дополнительного управляющего электрода, подведенного наклонно к катоду.

Рис. 106. Условное обозначение твердого тиратрона (полупроводникового эквивалента газоразрядного тиратрона); его также называют управляемым кремниевым выпрямителем.

Н. — А можно ли с помощью полупроводниковых тиратронов управлять большими токами?

Л. — О, да, и очень большими. Вот посмотри этот, что я принес в кармане своей жилетки; ты, несомненно, признаешь, что он совсем небольшой. А его вполне достаточно для исправного управления частотой двигателя мощностью 2 квт, рядом с которым наш тиратрон почти незаметен. Этот крохотный прибор настолько мал, что я могу зажать в кулаке целый десяток, весит он всего 8 г, а выдерживает положительное или отрицательное напряжение 500 в и пропускает ток более 20 а. Газонаполненный тиратрон с такими характеристиками имеет весьма внушительные размеры: по крайней мере 7–8 см в диаметре и полтора десятка сантиметров в высоту. Необходимо сказать несколько слов и о других недостатках газонаполненного тиратрона, как, например, гигантское потребление энергии на разогрев катода и значительное время прогрева перед включением его в работу, без чего мы рискуем серьезно повредить тиратрон.

Н. — В таком случае я полагаю, что через несколько лет газонаполненные тиратроны совсем исчезнут.

Л. — Я полностью разделяю это мнение. Однако в настоящее время полупроводниковые модели еще относительно дороги, впрочем они не намного дороже газонаполненных тиратронов с эквивалентными характеристиками, но они легко могут выйти из строя, если не принять специальных мер по защите их от перенапряжений. Но при всем этом будущее за ними.

Зажигание тиратрона

Н. — Хорошо, когда мне придется делать систему управления для двигателей, я непременно применю кремниевые тиратроны. Но еще одно обстоятельство, которое меня немного беспокоит. Ты говорил мне о пусковых импульсах для разного по времени зажигания тиратрона. Как получают эти импульсы и как изменяют их положение (я подозреваю, что здесь ты не скажешь «фазу») относительно начала положительного полупериода на аноде тиратрона?

Л. — Эти импульсы можно получить различными способами. Для возбуждения кремниевых тиратронов часто используют схемы с небольшим специальным транзистором, который называют однопереходным транзистором.

Н. — Мне это очень нравится. Мы хотим возбудить тиратрон, имеющий три перехода, и используем для этого транзистор, который, судя по названию, имеет только один переход. Очень хорошо, это в известной мере восстанавливает равновесие.

Л. — По правде говоря, я никогда не думал о равномерном распределении количества переходов. Но как бы там ни было, однопереходный транзистор представляет собой весьма простой прибор, представляющий собой стержень из кремния с n проводимостью, на каждом конце которого имеется вывод (их называют база 1 и база 2), а в самой середине имеется переход с p-зоной, который называют эмиттером. Если между базами этого прибора создать разность потенциалов, он ведет себя как тиратрон, анодом которого служит эмиттер, а катодом — одна из баз.

Если этот транзистор включить в схему, изображенную на рис. 107, то конденсатор С зарядится через резистор R₁ до потенциала электрода, обозначенного стрелкой (его называют эмиттером однопереходного транзистора), и достигнет значения, близкого Е/2. В этот момент скачком вырастет проводимость эмиттерного перехода однопереходного транзистора, и конденсатор быстро разрядится через резистор R₃. Выводы, которые я назвал Б₁ и Б₂, на самом деле служат выводами базы этого транзистора, который не имеет коллектора. В момент разряда конденсатора С через резистор R₃ на выводах этого резистора появляется напряжение, способное возбудить тиратрон.

Рис. 107. Схема на однопереходном транзисторе, предназначенная для создания посредством разряда конденсатора С через R₃ пусковых импульсов для полупроводникового тиратрона. Разряд конденсатора происходит, когда напряжение на его выводах достигает заданной величины.

Н. — По сути дела, твой однопереходный транзистор представляет собой небольшой тиратрон?

Л. — Действительно, здесь имеется определенная аналогия с тиратроном. Но он может пропускать только небольшие токи. Его можно использовать для получения пилообразного сигнала и еще в ряде других схем, но чаще всего он используется в устройствах для возбуждения полупроводниковых тиратронов.

Н. — Я нахожу, что твой однопереходный транзистор весьма любопытный прибор. Но кое-что меня все же беспокоит. Ты пока еще не сказал мне, как в схеме (рис. 107) ты получаешь импульсы ближе или дальше от начала положительного полупериода напряжения сети. Мне кажется, что твоя система должна давать пилообразный сигнал, никоим образом не связанный с напряжением сети.

Синхронизация с частотой сети переменного тока

Л. — Ты прав. Схема на рис. 107 предназначена для того, чтобы объяснить тебе, как работает однопереходный транзистор и как его подключают к тиратрону. Но если тебе нужна полная схема, пригодная для практического использования, то посмотри на рис. 108; ты легко в ней разберешься.

Рис. 108. Полная схема управления средним значением тока в нагрузке с помощью полупроводникового тиратрона, получающего пусковые импульсы от однопереходного транзистора.

Н. — И ты решаешься назвать ее легкой! Да твоя схема просто дьявольски сложная.

Л. — Совсем нет, просто, как и в любой схеме, нужно постараться рассматривать один элемент за другим. Ты видишь, что переменное напряжение U через нагрузку подается к тиратрону. Через эту нагрузку (ею может быть якорь двигателя) протекает ток тиратрона (в те полупериоды, при которых анод становится положительным относительно катода), когда тиратрон находится в возбужденном состоянии. Напряжение на выводах тиратрона используется для получения с помощью резистора R₄ и диода Зенера (стабилитрона) напряжения питания для однопереходного транзистора. Как только напряжение на выводах тиратрона становится положительным и по своему значению хотя бы немного выше напряжения диода Зенера, резистор R₄ поддерживает между точками А и В постоянное напряжение, равное напряжению Зенера.

Если напряжение на выводах тиратрона отрицательное (анод отрицателен относительно катода), диод Зенера работает как обычный диод и поддерживает потенциал точки А на уровне, почти равном потенциалу точки В. Следовательно, цепочка однопереходного транзистора теперь питается напряжением, существующим между точками А и В, которое заменяет напряжение Е со схемы (рис. 107). Конденсатор С начинает заряжаться точно в тот момент, когда напряжение на выводах тиратрона становится таким, что анод становится положительным относительно катода. Конденсатор перестает заряжаться в тот момент, когда его заряд становится достаточным, чтобы сделать однопереходный транзистор проводящим.

Если транзистор Т заперт, конденсатор заряжается быстро и возникающий на выводах резистора R₃ импульс возбудит тиратрон практически уже в начале положительного полупериода. Если же ток от источника е, поступающий на базу транзистора Т, не запирает последний, то ток транзистора разряжает конденсатор. Следовательно, конденсатор будет заряжаться медленнее, в результате чего включение однопереходного транзистора, а значит, и возбуждение тиратрона произойдут позднее. Поэтому средний ток, протекающий по тиратрону, будет очень маленький.

Н. — Все это далеко не так просто, как ты говоришь. Но тем не менее я уследил за твоими объяснениями. Однако в этой схеме, как и во всех предыдущих, одно обстоятельство меня огорчает: практически используется только один полупериод переменного напряжения, а другой неизбежно теряется.

Л. — Верно, а если это тебя огорчает, можно использовать два тиратрона, включенных в противоположных направлениях; каждый из этих тиратронов работает только один полупериод. В этом случае понадобится еще два обычных диода, их соединяют с обоими тиратронами так, чтобы токи обоих полупериодов протекали по нагрузке в одном направлении. Как ты видишь, в конечном итоге схема получилась не такой уж сложной и она превосходно может использоваться для управления двигателями очень большой мощности.

Н. — Мне очень хочется тебе верить, но остался еще один и, по-видимому, последний беспокоящий меня вопрос: приходящий по двигателю ток резко возрастает; если мы хотим его уменьшить, то уменьшаем время протекания тока по тиратрону и, следовательно, по обмотке двигателя. Не следует ли нам приготовиться к перенапряжению, порождаемому явлением самоиндукции, а затем к реакции двигателя, которому явно не понравятся такие резкие скачки?

Л. — Что касается двигателя, то я могу лишь выразить ему свое соболезнование. У меня, есть один двигатель, работающий в таких условиях, но он ни разу не приходил жаловаться.

Твое замечание относительно вызываемых самоиндукцией напряжений значительно серьезнее. Эти перенапряжения действительно могут нам мешать, во всяком случае они несколько осложняют работу системы, хотя и не требуют внесения значительных изменений в показанную мною схему, которая весьма близка к применяющейся на практике.

Н. — Я вижу, что твой двигатель приспосабливается к навязанным ему условиям, но я чувствую, что мой мозг очень близок к насыщению, и считаю целесообразным перенести продолжение беседы на завтра.

Л. — О, конечно можно. Я расскажу тебе о многообещающем способе; я имею в виду лазер, название которого образовано из первых букв его определения на английском языке (Liqht Amplification by Stimylated Emission of Radiation).

H. — Я кое-что слышал об этом приборе, мне даже сказали, что им можно создавать лучи смерти.

Л. — Как я вижу, Незнайкин, ты черпаешь свои знания в падкой на сенсации прессе. Не исключена возможность, что в отдаленном будущем кое-что из таких сообщений, к сожалению, окажется правдой. На сегодня лазер может дать прекрасно сфокусированный световой луч, который благодаря его острой направленности можно посылать на очень большие расстояния. Лазер несколько напоминает ультразвуковой генератор, о котором мы уже говорили. Основой прибора служит прозрачный стержень из материала типа рубина.

Торцы этого стержня строго параллельны и хорошо отполированы. Эти плоскости отражают внутрь возникающий при определенных обстоятельствах в кристалле свет, а часть его пропускают наружу. Вокруг этого кристалла (рис. 111) располагают очень мощный источник белого света, например лампу-вспышку, аналогичную той, которой ты пользуешься при фотосъемке. Вспышку света в таких устройствах получают, направляя разряд очень высоковольтного конденсатора большой емкости в лампу с ионизированным газом.

Рис. 111. В лазере на твердом теле лампа-вспышка спиральной формы размещается вокруг кристалла; излучаемый ею свет возбуждает атомы кристалла. Отдавая полученную энергию, эти атомы порождают луч света, для которого кристалл со своими плоскими и параллельными торцами служит оптическим резонатором

Н. — Так из кристалла вырывается свет лампы-вспышки! Но тогда в твоем лазере нет ничего нового.

Л. — Ты ошибаешься. Световая энергия порождается кристаллом. Энергия лампы-вспышки, поданная кристаллу в виде света, называется энергией накачки и вызывает внутри этого кристалла активацию некоторых атомов, иначе говоря, переводит их на более высокий энергетический уровень. Затем эти атомы отдают свою энергию и переходят на более низкий энергетический уровень. Эта выделившаяся энергия и излучается в виде света. Кристалл со своими полированными и строго параллельными торцами представляет собой высоко добротный резонатор. Возникший таким образом свет излучается через один из торцов в виде пуска строго параллельных лучей.

Н. — А по своей мощности излучаемый кристаллом свет равен мощности лампы-вспышки?

Л. — Намного меньше, но лазер обладает одним очень ценным качеством: он дает так называемый когерентный свет. В отличие от света, излучаемого накаленными телами или ионизированными газами, этот свет состоит из одного пакета волн, создающего колебания в течение значительного отрезка времени. При других способах получения света световая энергия излучается в виде большого количества очень коротких по времени колебаний, каждое из которых представляет собой очень короткий пакет волн (несколько сантиметров, что, учитывая скорость света, соответствует очень короткому интервалу времени) без какого бы то ни было согласования фазы.

В отличие от этого испускаемый лазером свет по своей структуре аналогичен электромагнитной волне, излучаемой антенной. Существуют также газовые лазеры, в которых специальным образом подобранный газ помещается в более или менее длинную трубу с полупрозрачными строго ровными и параллельными торцевыми плоскостями. Этот газ возбуждается небольшим электрическим разрядом наподобие люминесцентных ионных ламп. Но в отличие от них лазер излучает когерентный свет. Строго параллельный лазерный луч света можно сконцентрировать линзой настолько, что полученная энергия в пересчете на 1 см² окажется огромной. Сконцентрированный таким образом лазерный луч почти мгновенно пробивает тонкую стальную пластинку. Именно этот эксперимент породил идею создания разрушительного лазерного оружия, которое, к счастью, до сих пор осталось проектом, но которое, к сожалению, когда-нибудь может стать ужасной реальностью.

Применения лазера

Н. — Этот лазер представляется мне очень скверным инструментом. Какой интерес он может представлять для нас?

Л. — Он интересен тем, что может излучать модулированный свет и с большой точностью посылать этот свет на сверхбольшие расстояния. С помощью такого инструмента удалось осветить заданную точку на Луне и при этом, несмотря на путь в 380 000 км, не произошло значительного рассеяния световых лучей.

Н. — Прибор становится интересным. А разве нельзя таким же образом сконцентрировать радиоволны?

Л. — В принципе можно, но на практике осуществить неизмеримо труднее. Не забывай, Незнайкин, что возможность сконцентрировать излучение в узком пучке зависит от соотношения размеров концентрирующего устройства и длины волны концентрируемого излучения. Иначе говоря, лазер, излучающий свет с длиной волны 0,7 мкм, позволяет получить при кристалле диаметром 5 мм такую концентрацию, для достижения которой при излучении с длиной волны 10 см потребовался бы рефлектор диаметром 700 м. Кроме того, световое излучение имеет чрезвычайно высокую частоту и может модулироваться значительной полосой частот. Один лазерный луч способен одновременно передать сотни тысяч телевизионных программ или несколько миллиардов телефонных разговоров, этого более чем достаточно для одновременного установления связи между всем населением нашей планеты… А теперь мы поговорим о исполнительных элементах, дающих нам на выходе нематериальные величины.

Н. — Вот это да, Любознайкин! Так ты свободно плаваешь на вершинах высших сфер философии!

Электронно-лучевые трубки

Л. — Незнайкин, для начала мне очень хотелось, чтобы ты дал мне определение вершины сферы. Затем, если уж плавать, то я предпочел бы ровную поверхность воды. Но успокойся, когда я говорю о нематериальном исполнительном элементе, я имею в виду такой элемент, в котором ничто материальное не движется (свет в известной мере подходит под этот случай).[16] В настоящую минуту я всего лишь имею в виду осциллографическую электронно-лучевую трубку, в которой исполнительное устройство (им в этом случае служит электрическое поле, создаваемое выходным напряжением осциллографа) воздействует только на электроны.

Н. — Да, но электроны вполне материальны!

Л. — Ты так считаешь? Вот тебе ведро, ступай набери электронов!

Н. — Я хотел сказать, что они составная часть материи. Что же ты собираешься делать с этими электронами?

Л. — Я возьму специальную трубку и так сконцентрирую вылетающие с катода электроны, чтобы они в виде узкого пучка попадали точно в заданное место днища колбы, покрытого, как ты знаешь, слоем флюоресцирующего состава, который светится при попадании на него электронов. Созданное таким образом световое пятно мы можем перемещать в любую сторону с помощью электрических полей, создаваемых внутри трубки отклоняющими пластинами.

Н. — Послушай, Любознайкин, я очень хорошо знаю эту систему и не думаю, что здесь ты можешь рассказать мне что-нибудь новое.

Л. — Стоит тебе немного познакомиться с каким-либо вопросом, как у тебя немедленно складывается впечатление, что ты уже досконально изучил всю проблему. А ведь об электронном осциллографе можно так много рассказать. Но для начала я позволю себе спросить тебя, как бы ты стал делать осциллограф на одних транзисторах (разумеется, за исключением самой электронно-лучевой трубки)?

Н. — О! В этом случае нужно взять хорошие транзисторы, выдерживающие достаточно высокие напряжения, и собрать усилители и генераторы развертки по более или менее обычным схемам.

Высокочувствительные трубки

Л. — Согласен. Но признайся, что твои транзисторы с трудом выдержат на коллекторах напряжение более 40 или 50 в, особенно при необходимости отдать некоторую мощность, а именно такие условия складываются, когда необходимо получить значительную полосу пропускания. При использовании обычной электронно-лучевой трубки с чувствительностью к отклонению 0,3 мм!в выходное напряжение такого усилителя может сместить световое пятно не более чем на 20 мм. Воспользовавшись симметричной схемой, можно увеличить максимальное отклонение луча вдвое, но я не рекомендую тебе заставлять транзисторы работать при напряжении 60 в. Лучше всего остановиться на обычном для транзисторов напряжении, а именно на 20 в, но в этом случае тебе придется в лупу следить за перемещением твоего светлого пятна по экрану.

Н. — Я признал бы положение безвыходным, если бы не привык видеть, как ты решаешь, казалось бы, неразрешимые проблемы. И поэтому я жду чуда.

Л. — Благодарю тебя за доверие. Но здесь дело не в чуде, а в значительном техническом прогрессе электронно-лучевых трубок. Конструкторам удалось после отклонения электронного луча многократно ускорить электроны луча электрическим полем, создаваемым напоминающим спираль анодом, нанесенным на внутренней поверхности раструба колбы (рис. 112).

Рис 112. В электронно-лучевой трубке с послеускорением вылетевшие из пушки и направленные отклоняющими пластинами электроны затем многократно ускоряются электрическим полем, создаваемым в трубке послеускоряющим высоким напряжением, приложенным к спиральному графитовому электроду.

Это наряду с усовершенствованием конструкции отклоняющих электродов позволило повысить чувствительность электронного луча к отклонению до 5 мм/в и даже больше. В этих условиях, используя транзисторы при нормальном для них напряжении питания, можно очень легко заставить луч перемещаться по всему экрану трубки.

Н. — Как досадно, что этих трубок не было раньше! Они оказались бы очень практичными для усилителей на лампах с подогревными катодами. Но один вопрос меня серьезно беспокоит: скажи, пожалуйста, какую полосу пропускания способны обеспечить эти осциллографы на транзисторах?

Стробоскопический осциллограф

Л. — Я знаю современные осциллографы, обладающие полосой пропускания около 20 Мгц. что не так плохо. Но следует признать, что, даже мобилизуя все достижения техники, очень трудно сделать полосу пропускания шире 50 или 80 Мгц. Но для наблюдения еще более быстрых явлений при условии, что они периодические, может служить интересный прибор — стробоскопический осциллограф.

Н. — Что это за инструмент? Я о нем ничего не слышал.

Л. — Это просто осциллограф, в котором использован стробоскопический эффект. Ты с ним знаком? Если вращающийся диск освещать короткими вспышками света, давая вспышки через равные промежутки времени по одной на каждый оборот, то вследствие инерции зрительного восприятия диск покажется нам неподвижным. Если несколько уменьшить частоту вспышек, то при каждой новой вспышке изображение диска немного смещается относительно предыдущего положения и у нас складывается впечатление, что диск вращается очень медленно.

Н. — Очень хитрая система. Я видел ее, но совершенно не понимал, как она работает. Но как ты применишь этот принцип к осциллографу?

Л. — На рис. 113 я подготовил для тебя структурную схему такого осциллографа.

Рис 113. Структурная схема стробоскопического осциллографа, позволяющего как бы из кусочков собрать кривую, характеризующую форму периодического сигнала.

Предположим, что наблюдаемому периодическому сигналу всегда предшествует сигнал синхронизации. В случае надобности сигнал синхронизации можно получить из самого наблюдаемого сигнала с помощью схемы наподобие триггера Шмитта, а наблюдаемый сигнал задержать с помощью линии задержки. Каждый поступающий импульс синхронизации запускает один очень резко нарастающий пилообразный сигнал. Одновременно импульс синхронизации подается в систему, именуемую сумматором, которая порциями заряжает конденсатор, давая ему порцию энергии при поступлении каждого импульса синхронизации. Пилообразный сигнал с резким нарастанием и сигнал, вырабатываемый сумматором, подаются на схему, называемую компаратором (устройством сравнения). В момент, когда напряжения, подавляемые на два входа этой схемы, оказываются равными, компаратор дает на выходе импульс. Этот импульс используется для управления своеобразным электронным прерывателем, который подключает сигнал к накопительному конденсатору С только в тот момент, когда получает с компаратора отпирающий импульс.[17]

Н. — Все это безумно сложно!

Л. — А я и не говорил, что это просто. Но я считаю, что ты должен знать это устройство, революционизирующее радиоэлектронику высоких частот (где время измеряется наносекундами, т. е. миллиардными долями секунды).

Как ты видишь, при поступлении первого сигнала выходное напряжение сумматора почти равно нулю. А это означает, что компаратор даст свой импульс в самом начале подъема крутого пилообразного сигнала, и электронный прерыватель подаст сигнал на конденсатор С в момент, непосредственно следующий за импульсом синхронизации.

В следующий период выходное напряжение сумматора повысится на одну ступеньку, и компаратор немного позже даст свой импульс. Следовательно, на этот раз сигнал позже замкнется на запоминающий конденсатор С, и мы будем анализировать несколько более задержанный относительно импульса синхронизации момент изучаемого сигнала. Каждый период напряжения конденсатора несколько позднее подключается к сигналу. Исходя из предположения, что между периодами конденсатор С не разряжается, мы постепенно соберем на выводах конденсатора С изменение напряжения, соответствующее изменению напряжения значительно замедленного сигнала. Все происходит точно так, как в стробоскопе: в каждый момент «смотрят» на чуточку более поздний момент сигнала. Прежде чем подать напряжение с выводов конденсатора С на вертикальные отклоняющие пластины осциллографа, это напряжение усиливают. Горизонтальное отклонение осуществляется непосредственно напряжением сумматора. Поэтому, как ты сам можешь понять, световое пятно скачкообразно перемещается на экране электронно-лучевой трубки из одной точки в другую. Электронный луч пунктирной линией вычерчивает кривую, характеризующую изменение напряжения сигнала во времени. Такой результат можно получить, используя усилители с очень небольшой полосой пропускания.

Н. — Вот сколько усложнений, чтобы сделать осциллограф! Но я совершенно не вижу, что мы этим выиграли.

Л. — Причина в том, что ты невнимательно смотришь. Взгляни на осциллограмму, изображенную на рис. 114. Она снята с экрана стробоскопического осциллографа. Ты видишь надписи на этом рисунке?

Рис. 114. Кривая, снятая с экрана стробоскопического осциллографа; она позволяет видеть форму колебания, соответствующего частоте 1 Ггц (1000 Мгц).

Н. — Да, 0,2 в/см по вертикали и 0,2 нсек/см по горизонтали.

Л. — И ты говоришь это так спокойно, совершенно не задумываясь чему это соответствует. А ты знаешь, Незнайкин, что такое наносекунда?

Н. — Ты сам мне сказал, что это одна миллиардная доля секунды. Вот и все.

Л. — Мне кажется, ты никак не реагируешь. Ты только подумай, что за одну наносекунду свет (который никак не назовешь увальнем) пробегает всего лишь 30 см.

Н. — А, теперь я начинаю понимать, что это действительно довольно быстро. Но тогда, если я правильно понял, период несколько деформированной синусоиды укладывается в 5 см, иначе говоря, ее период равен одной наносекунде. Да это же 1000 Мгц!

Л. — Я счастлив, что мне удалось дать тебе, так сказать, пощупать собственными руками довольно замечательное устройство.

Н. — Любознайкин, ты сказал мне, что такая кривая получается из мельчайших кусочков, которые располагают один за другим, а здесь я вижу одну сплошную линию.

Л. — Кривая в самом деле состоит из серии точек. Кривую в общей сложности образуют две тысячи точек, они сливаются в сплошную линию, и поэтому ты не можешь различить отдельных точек.

Н. — Просто чудесное устройство. Я немедленно куплю себе стробоскопический осциллограф.

Л. — Я советую тебе несколько повременить, потому что сейчас такой осциллограф стоит в 2–3 раза дороже спортивного автомобиля.

Н. — Пока я довольствуюсь самой маленькой микролитражкой и поэтому немного подожду. Но мне кажется, что время уже позднее…

Л. — Я не хотел бы стать причиной твоего неприятного объяснения с Поленькой и поэтому приглашаю тебя завтра к себе, чтобы продолжить нашу беседу.

Л. — Это всего лишь привычка, но ты же прекрасно знаешь, что выполнение ряда арифметических операций, таких как сложение и умножение, всегда начинают с единиц. Для удобства работы электронных вычислительных машин с этими последовательными числами лучше подавать эти числа единицами вперед. Что же касается самой приятной стороны последовательного способа представления числа — возможности обходиться одним проводом, то нельзя забывать, что за это положительное качество приходится мириться с двумя недостатками: во-первых, передача занимает больше времени; во-вторых, манипулировать полученным числом не так легко. А теперь рассмотрим, как устроено главное, как бы ключевое устройство электронных вычислительных машин, которое называют сдвигающим регистром. Это своеобразная запоминающая скамья, по которой можно перемещать число на одну метку — разряд (за один прием).

Н. — Как ты намереваешься сделать это запоминающее устройство? К тому же мне думается сдвигать записанное число исключительно трудно.

Л. — На рис. 130 я нарисовал схему трех каскадного сдвигающего регистра.

Рис. 130. Структурная схема сдвигающего регистра; схема способна запомнить двоичное число, которое подается на входы Е. Импульс, подаваемый на вход Z, «продвигает» записанное число влево.

Как ты видишь, она представляет собой повторное использование определенного базового элемента. Этот базовый элемент содержит триггер, на один из его входов сигнал подается прямо, а на другой — через элемент ИЛИ. Выходное напряжение триггера преобразуется в импульсы и подается на элемент задержки, обозначенный на рисунке буквой D. Роль элемента задержки может выполнять схема с одним устойчивым состоянием, устройство которой я тебе уже объяснял.

Н. — Это представляется мне вполне понятным, но с некоторых пор я стал подозрительно относиться к твоим структурным схемам, которые за внешней простотой скрывают ужасающие трудности.

Л. — Не бойся, на этот раз ничего страшного нет. Ты, вероятно, заметил, что триггеры, кроме обычных входов, имеют небольшой боковой вход, который я обозначил буквой Z. Этот вход служит для сброса на нуль. Такой результат можно получить, например, подачей отрицательного импульса на базу транзистора Т₂ в приведенной на рис. 82 схеме триггера.

Предположим, что мы именем параллельное представление числа. Подадим его по всем необходимым для него проводам на входе Е₁, Е₂, Е₃ и т. д. сдвигающего регистра, все триггеры которого установлены на нуль. Соединим провода, по которым передается число в параллельном представлении, с соответствующими входами: провод единиц с входом Е₁, провод двоек с входом Е₂ и провод четверок с входом Е₃. Что произойдет теперь, если «параллельное» число подать в виде импульсов или отсутствия импульсов на различные входы нашего сдвигающего регистра?

Н. — Все это для меня настолько туманно, что я могу сказать тебе лишь, что триггеры, получившие импульс, переключатся с 0 на 1, а больше мне сказать нечего.

Л. — Да большего, Незнайкин, я и не спрашиваю. Как ты видишь, триггеры, соответствующие разрядам числа, где стоит единица, опрокидываются. Выходные напряжения этих триггеров служат своего рода памятью, в которой параллельным кодом записано наше число.

Н. — Для запоминания одного числа это, на мои взгляд, слишком сложно. Твое «параллельное» число поступает в виде комбинации импульсов и отсутствия импульсов. Если бы оно поступало в виде постоянных напряжений и отсутствия напряжений, вся твоя схема оказалась бы ненужной?

Сдвиг

Л. — Я полностью с тобой согласен. Но необходимо сказать, что схема обладает еще такими возможностями, о которых ты и не подозреваешь. Представь себе, что теперь я подаю на провод Z отрицательный импульс сброса на нуль. Что произойдет?

Н. — О, для того чтобы это узнать, совсем не нужно быть волшебником. Все триггеры вернутся на нуль, и содержимое твоей памяти окажется стертым.

Л. — Действительно, все так бы и случилось, не будь в нашем устройстве элементов задержки. При подаче импульса сброса на нуль все стоявшие в положении 1 (единицы) триггеры возвращаются на нуль. Но в момент опрокидывания они дадут импульс на включенные после них элементы задержки. Эти элементы получат импульс и через некоторое время отправят его на следующие триггеры.

Н. — Но раз твои триггеры возвращены на нуль…

Л. — Я возвратил их на нуль подачей короткого импульса на вход Z. Но к тому моменту, когда получившие импульс элементы задержки передают его на следующие триггеры, поданный на вход Z импульс уже полностью закончился. Поэтому все получающие задержанный импульс триггеры независимо от их предыдущего состояния переключаются в положение 1.

Н. — Охотно соглашусь, что все именно так и произойдет. Но чего ты добился таким любопытным маневром?

Л. — Очень просто, показания каждого триггера до возврата на нуль теперь переместились на соседний с ним триггер (в направлении справа налево). Если, например, я послал импульс на Е₁ и Е₂, но не дал его на Е₃, то первоначально я получу выходное напряжение на S₁ и S₂, но его не будет на S₃. Пошлем теперь импульс сброса на нуль. Опрокинувшись в положение нуль, триггеры В₁ и В₂ возбудят элементы задержки D₁ и D₂. Триггер же В₃ все время находился в положении нуль и на него сигнал сброса на нуль не окажет никакого воздействия. Следовательно, он не возбудит элемента задержки D₃. Немного позднее, когда элементы задержки D₁ и D₂ выдадут свои импульсы, возвращенный на нуль триггер В₂ опрокинется в положение 1 и оставшийся все время в положении нуль триггер В₃ также опрокинется в положение 1. Следовательно, теперь мы получим напряжение на входах S₃ и S₂, а выход S₁ останется без напряжения. Если раньше наш регистр показывал число 011, то теперь он показывает 110. Мы переместили его показания на один знак влево, а на освободившееся справа место вписали нуль.

Н. — Если подобную операцию проделать с десятичным числом, т. е. сместить все цифры на один знак влево и справа приписать нуль, то исходное число увеличится в 10 раз. Но сейчас мы имеем дело с двоичным числом, и я не представляю, какой результат дает эта операция.

Л. — Но это очень просто — число умножается на 2. В этом заключается первая возможность нашей системы. Каждый посылаемый на провода Z импульс удваивает первоначально записанное число. Но наш сдвигающий регистр обладает еще более интересными возможностями. Посмотри, какие импульсы выдаст триггер В₃ после трех последовательных сбросов на нуль с помощью подачи импульсов на вход Z.

Преобразование параллельного представления числа в последовательное

Н. — Чтобы мне было легче ориентироваться, я попробую разобраться на уже рассматривавшемся нами случае с первоначально записанным числом 011. Первый поданный на вход Z сигнал изменяет нашу запись на 110, но, как я полагаю, при этом мы должны учитывать и то обстоятельство, что триггер В₃ не даст импульса, ибо он переключается из положения 0 в положение 1.

Л. — В самом деле он дает только положительный импульс, который мы задерживаем с помощью диода. Следовательно, на выходе триггера В₃ ничего нет. А что произойдет при следующем сбросе на нуль?

Н. — О, теперь это ужасно сложно! Как я вижу, триггер В₂, находящийся в положении 1, под воздействием импульса Z опрокинется в положение нуль. По-моему, он должен дать на выход импульс, потому что нас интересуют только импульсы, соответствующие переходу на нуль. Импульс с триггера В₂ поступает на элемент задержки D₂, откуда он через некоторое время поступает на триггер В₃ и переключает его на 1. Но я не очень хорошо представляю, что в итоге получилось.

Л. — В итоге мы получили импульс с триггера В₃ и записанное на регистре число превратилось в 100. При третьем переключении регистра на нуль мы вновь получим импульс с триггера В₃, потому что он переходит на нуль из положения 1. Теперь уже ни один триггер не может переключиться в положение 1, так как запись постепенно перемешалась и в результате полностью вышла за пределы регистра.

Н. — Но это более чем странно! Трехкратным переключением на нуль ты выталкивал цифру за цифрой записанное в регистре число. Только вытолкнул его не в том направлении, которое нам нужно; сначала мы получили отсутствие импульсов (цифра четверок), затем получили один импульс (цифра двоек) и, наконец, еще один импульс (цифра единиц).

Л. — Совершенно верно, мы цифру за цифрой вытолкнули наше число с того места, где оно было записано. Иначе говоря, на выходе S₃ мы получили наше число в последовательной форме. Ты правильно заметил, что выходящее из регистра число заканчивается единицами. При желании получить его единицами вперед, следует записать число на трех триггерах в обратном порядке: единицы подать на вход Е₃, двойки — на вход Е₂ и четверки — на вход Е₁.

Н. — Таким образом, мы можем сказать, что твой сдвигающий регистр способен преобразовывать параллельное представление числа в последовательное.

Преобразование последовательного представления числа в параллельное

Л. — О, ты знаешь, транзисторы этой схемы способны (да позволят мне так сказать) не только на один фокус. Схема может выполнить и обратное преобразование. Представь себе, что мы подаем на вход А последовательное число и после передачи очередной цифры посылаем импульс сброса на нуль. Первая цифра записывается триггером B₁, а затем импульс сброса на нуль продвигает ее на триггер В₂. В этот момент следующая цифра записывается предварительно выставленным на нуль триггером B₁.

Второй поступающий на вход Z импульс сброса на нуль продвигает первую цифру с триггера В₂ на триггер В₃ и вторую цифру с В₁ на В₂. В это время триггер B₁ выставлен на нуль и готов получить третью цифру передаваемого на вход А числа в последовательной форме.

Н. — Действительно, очень умная схема, на этот раз она преобразовала последовательное представление числа в параллельное.

Параллельное сложение

Л. — Но этим мы еще не исчерпали всех возможностей сдвигающего регистра. Представь себе, что на входы E₁,Е₂ и Е₃ нашей схемы мы подали параллельное число. А через некоторое время подаем еще одно такое же число на эти же входы: единицы на E₁, двойки на Е₂ и четверки на Е₃. Что мы получим в результате?

Н. — Ужасную смесь!

Л. — Совсем нет. Рассмотрим, что произойдет на одном из триггеров. Предположим, что после записи первого числа он стоит на нуле. Если в соответствующем этому триггеру месте второго числа стоит нуль, то триггер не получит никакого импульса и останется на нуле. Но при записи второго числа наш триггер может получить импульс (на соответствующем ему месте находится единица) и тогда он переключится на 1. Возможно также, что при записи первого числа триггер получит импульс, а при записи второго импульса не получит. В этом случае, как и в предыдущем после передачи второго числа, триггер будет стоять на 1. Как ты видишь, во всех этих трех случаях на каждом триггере мы получим цифру, равную сумме соответствующих цифр из двух чисел.

Н. — Очень занятно, но признайся, что все рассказанное тобой справедливо лишь для некоторых случаев.

Л. — Сейчас я докажу тебе, что справедливо для всех случаев. Предположим, например, что триггер В₁ при записи первого числа получил один импульс (что означает, что в первом числе на месте единиц стоит цифра 1). Теперь предположим, что при записи второго числа на вход Е₁ поступил еще один импульс. Этот импульс переключит триггер на нуль и тем самым запишет последнюю цифру суммы двух полученных цифр. При опрокидывании на нуль триггер посылает импульс на элемент задержки D₁. Этот импульс представляет собой не что иное, как единицу, переносимую при сложении в следующий разряд. После того как сдвигающий регистр зафиксирует второе число, эта переносимая единица поступает на триггер В₂ и прибавляется к записанной в нем цифре, т. е. переключает триггер В₂ из одного состояния в другое.

Н. — Поразительно, твоя схема способна производить сложения и учитывать переносы единиц в следующие разряды. Это идеальное решение для создания сумматора.

Л. — Это возможное, но не наилучшее решение. Представь себе, что первым мы передали на сдвигающий регистр число 111, а вторым — число 001. Когда мы запишем второе число, триггер В₁ опрокинется и вернется на нуль. Через элемент D₁ он передаст импульс на триггер В₂, который после соответствующей задержки опрокинется и вернется на нуль. Триггер В₂ через элемент D₂ пошлет импульс на триггер В₃, который спустя еще один период задержки опрокинется и вернется на нуль. Как ты видишь, задержки накапливаются и может оказаться, что для завершения записи суммы потребуется значительное время.

Н. — Но ты сам в этом виноват, зачем ты поставил элементы задержки?

Л. — Твой вопрос, Незнайкин, наводит меня на мысль, что ты не понял принцип работы сдвигающего регистра. Элементы задержки необходимы. В самом деле, когда я импульсом сброса на нуль продвигаю число вперед, все триггеры должны сначала переключиться на нуль, а затем те из них, которым предстоит опрокинуться, должны получить переданный через элементы задержки задержанный ими импульс. Кроме того, при использовании сдвигающего регистра для сложения параллельных чисел следует не допускать возможности одновременного поступления на триггер цифры второго числа и переносимой единицы, полученной в результате сложения цифр на предыдущем триггере.

Н. — Мне остается только поблагодарить тебя, Любознайкин, за напрасную трату времени. Ты заставил меня помучиться, чтобы понять устройство и принцип работы сдвигающего регистра, а теперь собираешься объявить мне, что воспользоваться им на практике нельзя.

Л. — Далеко не так, Незнайкин. В ближайшее время мы познакомимся с очень интересным устройством, в котором работает этот регистр. Я просто хотел бы обратить твое внимание на следующее обстоятельство: может случиться, что при использовании сдвигающего регистра для сложения эта операция займет очень много времени. Но тогда мы постараемся воспользоваться другим методом, о котором поговорим завтра.