Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

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?

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!..

Беседа пятая

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Создав богатый запас различных первичных преобразователей, наши друзья приступают к рассмотрению использования сигналов, вырабатываемых первичными преобразователями. Для этого, оказывается, полезно улучшить технические характеристики знакомых Незнайкину усилителей и, в частности, расширить их полосу пропускания как в сторону высоких, так и в сторону очень низких (и даже нулевой) частот. В конце беседы Любознайкин открывает своему другу «секрет», который сотни тысяч технических специалистов познали… и, несомненно, забыли, потому что никогда не видели, какую пользу можно из него извлечь.

Незнайкин — Итак, дорогой Любознайкин, я надеюсь, что на этот раз ты не станешь больше говорить о преобразователях, ибо от них меня уже тошнит.

Любознайкин — Не беспокойся, Незнайкин, сегодня мы перейдем к другой части нашей схемы — к промежуточному преобразователю, иначе говоря, к вопросу о преобразовании вырабатываемого первичным преобразователем сигнала. Мы начнем с преобразования, касающегося лишь величины сигнала, иначе говоря с усиления.

Н. — Ну это не займет у нас много времени. Я знаю все усилители, кроме электрометрического.

Л. — Скромность всегда тебя украшала. Ты знаешь, как делают для радиоприемника усилитель низкой частоты, предназначенный для воспроизведения звуковых частот от 30 гц до 15 кгц. Но при усилении других сигналов может возникнуть потребность намного расширить полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких (верхних) частот. Я поставил бы тебя в трудное положение даже одним вопросом, если бы спросил, что ты сделаешь, чтобы увеличить верхний предел частот, пропускаемых усилителем на резисторах.

Н. — Дай немного подумать. Я полагаю, что ты хочешь поговорить об усилителе, схему которого я нарисовал на рис. 37.

Рис. 37. В этом усилительном каскаде усиление на низких частотах снижается вследствие увеличения реактивного сопротивления конденсатора С1 и особенно С2.

Л. — Да, он прекрасно подходит для нашей беседы. Расскажи мне, пожалуйста, о его возможностях.

Н. — Усиление на верхних частотах ограничено тем, что параллельно резистору R2 включена паразитная емкость С, шунтирующая его и снижающая результирующее сопротивление.

Л. — Совершенно верно. А как избавиться от этого?

Н. — Прежде всего я попытался бы уменьшить паразитную емкость путем предельного укорочения соединительных проводников и правильным подбором ламп.

Л. — Ты поступаешь разумно. Но возможности избранного тобою пути довольно ограничены. Может быть, тебе и удалось бы наполовину уменьшить эту паразитную емкость и тем самым вдвое увеличить полосу пропускания, но как расширить ее еще больше?

Н. — А! Вспомнил, можно воспользоваться коррекцией, компенсирующей шунтирование емкостью С резистора R2.

Л. — Я не могу тебе сказать, что это неправильно, но коррекция представляет собой прием, позволяющий несколько расширить полосу пропускания, и поэтому она совершенно не характерна для широкополосного усилителя. Ты совершаешь ту же самую ошибку, что и 99 % радистов. В моем телевизоре имеется усилитель, правильно усиливающий частоты от 10 гц до 10 Мгц; в нем, конечно, имеется коррекция, но и без нее мой усилитель очень хорошо пропускал бы частоты до 5 Мгц, а вот усилитель в моем электрофоне, разумеется, на такой подвиг не способен: уже на 300 кгц он теряет 90 % своего усиления. Следовательно, между двумя усилителями есть существенное различие. Я полагаю, что ты сам найдешь ответ. Почему мешает тебе эта паразитная емкость С?

Н. — Я уже объяснил тебе: она шунтирует резистор и на высоких частотах снижает значение результирующего сопротивления.

Л. — Я хотел бы внести некоторые уточнения. Предположим, что емкость С равна 16 пф (чтобы упростить расчеты ее реактивного сопротивления), тогда ее сопротивление равно 1 Мом на 10 кгц, 100 ком на 100 кгц, 10 ком на 1 Мгц и 1 ком на 10 Мгц. Предположим, что сопротивление резистора R2 = 100 ком. Скажи, пожалуйста, на какой частоте начнет тебе мешать емкость С?

Н. — Для этого следовало бы рассчитать результирующее (полное) сопротивление включенных параллельно резистора R2 и конденсатора С. Но я могу тебе сказать, что на частоте 10 кгц влияние емкости С с ее реактивным сопротивлением 1 Мом на входное сопротивление устройства, близкое к 100 ком, будет очень мало.

Л. — Я бы даже сказал, что ее воздействие на полное сопротивление практически равно нулю (не больше 0,5 %). Но посмотри, Незнайкин, проходящий по емкости С ток на 90° опережает ток, проходящий по R2. Я обозначил эти токи стрелками (рис. 38), а вернее векторами, характеризующими их амплитуду и фазу. Для определения полного тока построим прямоугольник, сторонами которого являются две названные стрелки. Диагональ прямоугольника соответствует стрелке, характеризующей полный ток. Но на частоте 10 кгц максимальный ток Iс, проходящий через конденсатор, в 10 раз меньше тока, проходящего через резистор. Диагональ прямоугольника при этом настолько близка к его большей стороне, что их можно спутать. Если ты слышал о теореме Пифагора…