Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

События разворачиваются в простейшей электрической цепи, в которую входит источник энергии — аккумулятор, нагрузка — лампочка и еще переменный резистор — реостат, выполненный в виде вертикально натянутой проволоки со скользящим контактом (Р-76; 2). Подвижный контакт этот ходит по проволоке настолько легко, что если подвесить к нему стограммовую гирьку, то контакт буквально за секунду переместится сверху вниз, изменив сопротивление реостата от 9 Ом до 1 Ом.

А сейчас мы выполним несколько простейших арифметических операций, и они приведут нас к выводу, важнейшему для всей электроники.

Для начала вспомним про две расчетные формулы: I = U: R и Р = I²R (Р-22;3 и Р-27;2). Согласно этим формулам, напишем два выражения — для тока в цепи лампочки: I_л = U_г:(R_л+ R_р) (он определяется суммой двух сопротивлений — лампочки R_л и реостата R_р) и для мощности, которая выделяется в лампочке, Р_л = I²∙R_л. Теперь, пользуясь этими выражениями, подсчитаем ток в цепи и мощность, выделяемую в лампочке, для двух случаев — когда сопротивление реостата равно 9 Ом и когда оно равно 1 Ом, после того как движок реостата опустился вниз. Вот результаты этих несложных расчетов (сопротивление лампочки — 3 Ом).

В случае, когда R_p = 9 Ом (движок вверху), получим: ток I_л — 12 В: (3 Ом + 9 Ом) = 1 А и мощность Р_л = I² А ∙ 3 Ом = 3 Вт. В случае, когда Р_л = 1 Ом (движок внизу), получим: ток I = 12 Вт: (3 Ом + 1 Ом) = 3 А и мощность Р_л = 3² А ∙ 3 Ом = 27 Вт.

И наконец, последняя арифметическая операция. Теперь нетрудно подсчитать, что мощность 1 Вт, затраченная на перемещение подвижного контакта (100 г ∙ 1 м = 1 Дж; 1 Дж/1 сек = 1 Вт), приводит к изменению электрической мощности, которую получает нагрузка, лампочка на 24 Вт (от 3 до 27 Вт), и это можно назвать эффектом усиления: за изменение на 1 Вт мы получили изменение на 24 Вт.

Управляющий сигнал — перемещение движка реостата — сам ничего нагрузке не добавил и не убавил. Всю энергию лампочка получает только от аккумулятора. А эффект усиления появился только потому, что на одном перекрестке встретились, сошлись в одном физическом процессе два совершенно разных явления, две различные зависимости, до этого не знавшие друг друга, не имевшие друг к другу никакого отношения, — зависимость сопротивления реостата от положения движка и зависимость тока в цепи от сопротивления реостата. Такие пересечения физических процессов, такие пары зависимостей в природе образуются как бы сами собой, зачастую совершенно случайно. С одним примером мы уже знакомы: каменная глыба, если незначительно сдвинуть ее, падает с обрыва, совершая при этом огромную разрушительную работу, и даже легкий порыв ветра может произвести небольшое начальное перемещение глыбы, столкнув ее с обрыва.

В технике искусственно объединяют два разных независимых физических процесса, подбирают эти пары «пересекающихся» процессов таким образом, чтобы один из них сильно влиял на другой, чтобы можно было получить эффект усиления. Лучшим примером является усилитель электрических сигналов, до которого нам теперь остался уже буквально один шаг.

Т-126. Распространенный тип усилителей электрических сигналов — слабый сигнал меняет сопротивление цепи, в которой действует мощный источник энергии. Чтобы усилить электрический сигнал, в разных типах усилителей объединяют парами самые разные физические процессы. В наиболее распространенных усилительных приборах — транзисторах и электронных лампах — используют такой принцип: слабый усиливаемый сигнал тем или иным способом меняет сопротивление цепи, в которой внешний источник энергии, например аккумулятор или гальванический элемент, создает постоянный ток. Под действием меняющегося сопротивления постоянный ток перестает быть постоянным, он меняется, следуя за всеми изменениями слабого сигнала. Так за счет энергии внешнего источника создается мощный сигнал, точная копия слабого.

Реализовать этот принцип можно даже в нашей установке с реостатом, для этого нужно соорудить для подвижного контакта реостата систему электрического привода. Скажем, приводить в движение подвижный контакт миниатюрным электромоторчиком или электромагнитом, энергию которым давал бы сам усиливаемый сигнал. В электронных усилителях этот принцип реализуют так: сопротивление участка цепи меняют, «впрыскивая» в него то или иное количество свободных электрических зарядов (Р-76;3,4).

Р-76;3,4

На само это «впрыскивание» тратится сравнительно небольшая мощность, а сопротивление меняется так, что происходит значительное изменение мощности, выделяемой на данном участке цепи.