Извини меня. Незнайкин, за то, что я преподношу тебе азбучные истины, придав им философскую форму. На практике ты постоянно имеешь дело с такими генераторами и нагрузками. С генераторами ты встретишься не только на электростанции: генератором является, например, батарейка карманного фонарика, а нить питаемой ею лампочки служит нагрузкой.
Антенна радиоприемника, являющаяся источником сигналов, поступающих на вход приемника, — это тоже генератор, а входная цепь приемника, в которую вводится сигнал от антенны, — его нагрузка. Точно так же мощная оконечная лампа является генератором для нагрузки — громкоговорителя.
В схемах на транзисторах выходная цепь каждого транзистора представляет собой генератор энергии для входной цепи следующего каскада, выступающего в роли нагрузки.
Но стоит ли умножать количество примеров? Нужно хорошо понять, что любой источник энергии — генератор — характеризуется двумя величинами:
1) электродвижущей силой (э. д. с.) — максимальным напряжением, которое источник способен дать на выходе; это, если хочешь, его жизненная сила;
2) внутренним сопротивлением, т. е. сопротивлением, которое он оказывает, как и любой другой элемент электрической цепи, проходящему через него току (рис. 82).
Рис. 82. Переменная или постоянная э.д.с. Е источника создает ток I, проходящий через внутреннее сопротивление генератора Rвн на котором возникает падение напряжения Uвн, и через нагрузку Rн, на которой появляется напряжение Uн.
На этом внутреннем сопротивлении генератора Rвн, разумеется, происходит падение напряжений за счет тока, создаваемого самим источником. Поэтому напряжение Uн на зажимах источника, а следовательно, и на нагрузочном резисторе Rн будет меньше э. д. с. Е. Разница между э. д. с. и напряжением на нагрузке тем значительней, чем больше ток I. Естественно, что если нагрузка отключена, то напряжение источника равно его э. д. с. В этом случае говорят, что генератор находится в режиме холостого хода.
Рискуя вызвать у тебя повышение температуры, я предлагаю тебе внимательно рассмотреть следующий очень элементарный расчет. Пусть общее сопротивление будет Rвн + Rн. Следовательно, по закону Ома ток
На внутреннем сопротивлении Rвн этот ток создает падение напряжения
а на сопротивлении нагрузки Rн — падение напряжения
Если ты еще в состоянии держать карандаш, то сложи эти два напряжения; в итоге получишь:
Uвн + Uн = Е,
что и следовало ожидать. Ты увидишь, что э.д.с. делится на два напряжения: Uвн, представляющее собой внутреннее падение напряжения, и Uн — напряжение на нагрузке (оно же на зажимах источника). Это распределение происходит пропорционально сопротивлениям генератора и нагрузки.
Если внутреннее сопротивление генератора очень мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, то и падение напряжения в генераторе тоже очень мало, а напряжение на нагрузке почти равно э. д. с. Е. В этих условиях переменная э. д. с. проявляется на сопротивлении нагрузки в виде переменного напряжения, и поэтому говорят, что питание производится от генератора напряжения, причем режим его работы близок к холостому ходу.
Разберем теперь обратный случай, когда внутреннее сопротивление Rвн источника значительно больше сопротивления нагрузки Rн. При этом почти вся э. д. с. будет теряться в виде внутреннего падения напряжения в генераторе, а напряжение Uн, остающееся на зажимах и прикладываемое к сопротивлению нагрузки, составит незначительную часть э. д. с. генератора. При таких условиях основное значение имеет ток I, пропорциональный э. д. с. и практически не зависящий от сопротивления нагрузки, так как ввиду его малости ток ограничивается по существу внутренним сопротивлением. В этом случае говорят, что питание производится от генератора тока, причем режим его работы близок к короткому замыканию.
При применении транзисторов можно столкнуться с обоими этими крайними случаями, но для достижения наилучшего к. п. д. и здесь следует придерживаться золотой середины.
При выборе схемы связи между каскадами с лампами мы стремимся подать на вход следующего каскада максимум напряжения. Здесь добрая фея устроила все наилучшим образом, так как вход сетка — катод обычно имеет бесконечно большое сопротивление, а потому на него передается вся э. д. с., развиваемая в выходной цепи предшествующего каскада. Это типичный пример возбуждения от генератора напряжения.
А вот при применении транзисторов, мой дорогой Незнайкин, характер явлений меняется; чтобы на входную цепь подать напряжение, надо затратить определенную мощность, потому что, какой бы ни была схема, через входные зажимы транзистора обязательно проходит ток. Образно говоря, лампы удовлетворяются вольтами, а транзисторы, на которые подаются вольты, одновременно поглощают амперы. А вольты на амперы дают ватты.
Задача передачи мощности не столь проста — суди сам: мы стремимся передать в нагрузку максимальную мощность, т. е. наибольшее значение тока при самом высоком напряжении (рис. 83).
Рис. 83. Экспериментальная схема для изучения режимов нагрузки, позволившая снять кривые, показанные на рис. 84.
Внутреннее сопротивление источника Rвн изображено отдельно от условного обозначения батареи; в действительности же оно свойственно самой батарее. Чтобы не вносить пoгрешность в измеряемые значения токов и напряжений, нужно применять амперметр А с очень низким и вольтметр V с очень высоким сопротивлением.
Хочешь ли ты выяснить, каким должно быть сопротивление нагрузки, чтобы получить наилучший результат? Если оно мало по сравнению с сопротивлением генератора, то ток будет больше. Тем лучше! Но тогда из-за повышенного падения напряжения внутри источника напряжения напряжение на этом сопротивлении нагрузки будет меньше. Тем хуже!
Сделаем наоборот. Возьмем сопротивление нагрузки значительно большее, чем сопротивление генератора. Тогда (как и в ламповых схемах) мы передадим на нагрузку почти всю э. д. с. Тем лучше! А ток будет меньше. Тем хуже!
Ты догадываешься, Незнайкин, что в этом случае наилучшим решением окажется наша «золотая середина»: сопротивление нагрузки не должно быть ни больше, ни меньше сопротивления генератора. Иначе говоря, отдача наибольшей мощности происходит тогда, когда сопротивление нагрузки равно сопротивлению генератора. Когда это условие выполнено, то говорят, что сопротивления согласованы.
Чтобы лучше тебя в этом убедить, я не поленился составить графики зависимости отдаваемой в нагрузку мощности Р, тока I и напряжения Uн (для источника с э. д. с. Е = 12 В и внутренним сопротивлением Rвн = 6 Ом) от сопротивления нагрузки Rн (рис. 84). Ты видишь, что по мере увеличения Rн уменьшается ток I и возрастает напряжение U, их произведение быстро достигает максимума при Rн = Rвн = 6 Ом, а затем медленно убывает. Разве это не достаточно убедительно?