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

Как ты видишь, анод лампы непосредственно соединен с положительным полюсом источника питания, между катодом и корпусом включен резистор (с выводов этого резистора я и снимаю выходное напряжение Uвых). Входное напряжение Uвх прикладывается между сеткой и корпусом, создавая на сетке положительное напряжение относительно корпуса и…

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 Uвых выше, чем Uвх.

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 Uвх, то смещение лампы упадет (даже до нуля), а ток лампы вновь повысится и повысит потенциал катода. Ведь тогда схема должна генерировать, разве не так?

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, Uвх = 50 в и R = 5 ком.

Если Uвых 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 Uвых 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 Uвых снизится, как напряжение любого источника, ток которого я потребляю.

Л. — Совершенно верно. А теперь меня интересует, насколько понизится это напряжение? Падение напряжения, обозначенное Uпад (иначе говоря, Uвых), соответствующее отсутствию потребления, равно 52 в, снижается до (52 в — Uпад), 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 Uпад, то соответственно снизилось и смещение.

Позволь напомнить тебе, что крутизна лампы 7 ма/в. Следовательно, анодный ток увеличится на: S х Uпад (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 Uвых снизилось: этот ток уже не 52 в/R, а (52 в — Uпад)/R, иначе говоря, проходящий по резистору R ток уменьшился на Uпад/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 Uпад = 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 = rвн·I

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

Лучше пользоваться формулой  что при делении обеих частей уравнения на Uпад 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.

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.