Чтение онлайн

рис. 39, 4

У многих из вас мог возникнуть вопрос: зачем на схеме (рис. 39, 6) нужно регулировочное сопротивление R'o.с, для чего с его помощью мы ослабляем действие обратной связи, которая дает так много преимуществ? На этот очень простой вопрос придется дать весьма подробный ответ.

Выигрыш, который приносит нам отрицательная обратная связь, не достается даром. За него приходится платить дополнительным усилением, а это не всегда возможно и не всегда выгодно. Стоит ли, например, вводить очень глубокую обратную связь в усилитель, который по заданным условиям должен быть простым и дешевым и от которого в то же время не требуется очень высоких качественных показателей? Здесь, по-видимому, глубину обратной связи целесообразно увеличивать до тех пор, пока это не потребует дополнительных затрат, в частности дополнительного каскада усиления.

Но даже в тех случаях, когда мы не ограничены средствами и когда главная наша задача — улучшить качественные показатели усилителя, мы не можем до бесконечности усиливать отрицательную обратную связь. Одно из главных ограничений связано с тем, что на некоторых частотах отрицательная обратная связь может превратиться в положительную, которая, как известно, все делает наоборот — не улучшает, а ухудшает качественные показатели усилителя. Более того, при определенных условиях положительная обратная связь может превратить усилитель в генератор (самовозбуждение усилителя), и он сам по себе, не получая никакого входного сигнала, будет генерировать переменное напряжение — попросту говоря, будет выть и свистеть. Превращение отрицательной обратной связи в положительную может произойти тогда, когда какие-то элементы создадут дополнительный сдвиг фаз на 180°. Такими элементами могут оказаться RС-цепочки, которые в усилителе встречаются буквально на каждом шагу.

Попробуем детально изучить поведение RС-цепочки, по которой проходит переменный ток (рис. 41, рис. 42).

Рис. 41. Между напряжением и током в реактивных элементах — конденсаторах (С) и катушках (L) — существует сдвиг фаз, который принято отображать с помощью векторной диаграммы.

Прежде всего отметим, что в любой цепи переменное напряжение UR на активном сопротивлении R совпадает по фазе с током IR (рис. 42, 1, б).

рис. 42, 1

Это может показаться никому не нужным заявлением, чем-нибудь вроде «Волга впадает в Каспийское море»… Действительно, для любого момента времени, для любых мгновенных значений должен выполняться закон Ома, а значит, ток I и напряжение U одновременно растут, уменьшаются, меняют направление. Но так бывает не всегда. Ток Iс в цепи конденсатора С (рис. 42, 2, а) связан с процессом заряда и разряда, то есть связан с изменением напряжения Uc. Чем резче нарастает (рис. 42, 2, б) или падает (рис. 42, 2, в) напряжение, тем больше ток; а в тот момент, когда напряжение на конденсаторе не меняется (рис. 42, 2, г), ток равен нулю. Исходя из этих соображений, можем построить график тока Iс(рис. 42, 2, д). Он будет наибольшим в момент наиболее быстрого изменения Uc (моменты 0, 2, 4 и т. д.) и будет равен нулю в тот момент, когда Uc достигло амплитуды и на какое-то неуловимое мгновение остается неизменным (моменты 1, 3, 5 и т. д.). Как видите, положительная амплитуда Iс (момент 0) наступает на четверть периода раньше, чем положительная амплитуда Uc (момент 1). Иными словами, ток через конденсатор опережает напряжение на конденсаторе на четверть периода, иначе — на 90°.

рис. 42, 2

Существует очень наглядный способ изображения сдвига фаз — векторная диаграмма (рис. 41). Вспомним, что мы договорились весь период делить на 360 условных единиц времени и именно такую единицу назвали градусом. Векторная диаграмма — это рисунок, где ток и напряжение показаны в виде определенным образом расположенных линий — векторов. Линии образуют угол, который соответствует сдвигу фаз между током и напряжением. Это очень удобно, так как каждому градусу сдвига фаз (единица измерения времени) соответствует градус (угловая единица) угла между векторами.

При сдвиге фаз на четверть периода векторы I и U располагают под углом 90°. Принято считать, что векторы вращаются вокруг точки 0 против часовой стрелки. В нашем примере (рис. 42, 2, г) мы сначала увидим вектор Iс, а затем через 90° вектор Uc. Это как раз и соответствует случаю, когда Iс опережает Uc (или, иначе, Uc отстает от Iс) на четверть периода. Длину векторов откладывают в определенном масштабе: например, в масштабе 1 мм = 10 в или 1 мм = 2 а. Строгое соблюдение масштабов необходимо в тех случаях, когда на векторной диаграмме отображено несколько различных напряжений или токов (рис. 42, 3, 4). Один из таких случаев — последовательное включение R и С.

Если к цепочке, составленной из конденсатора и сопротивления (рис. 42, 3, а), подвести переменное напряжение URC,то оно распределится между участками — между R и С — пропорционально их сопротивлению для данной частоты: R и хс. В цепи пойдет ток, величина которого по закону Ома определится напряжением URC и общим сопротивлением z всей цепи. При этом напряжение UR будет совпадать по фазе с током (рис. 42, 1, а, б, в), а напряжение Uс будет отставать от тока на 90° (рис. 42, 2, а, д, е). Что же касается общего напряжения URC на всей цепочке, то оно будет представлять собой сумму UR и Uc. Но не алгебраическую сумму URC = UR + Uc, а геометрическую URC = (U2R + U2c). Если сложить эти напряжения, то окажется, что URC и а значит, URC и UR) сдвинуты по фазе на некоторый угол, обычно обозначаемый буквой . Сдвиг фаз определяется соотношением хс и R: чем больше хспо сравнению с R, тем больше угол , тем ближе он к 90°.

Напряжения на участках цепи очень удобно складывать с помощью векторной диаграммы. Сумма представляет собой диагональ прямоугольника, образованного векторами UR и Uc, а угол сдвига фаз равен углу между векторами UR (IRC) и URC (рис. 42, 3, б, в; 4, а, в, д).

рис. 42, 3

рис. 42, 4

Подобным же образом можно найти общее сопротивление цепи z, если сложить построенные в определенном масштабе векторы сопротивления R и емкостного сопротивления хс для данной частоты (рис. 42, 4, б, г, е).

Мы уже говорили, что напряжения на участках цепи пропорциональны сопротивлениям этих участков R и хс. Емкостное сопротивление конденсатора хс, как известно, с уменьшением частоты возрастает, и вместе с ним возрастает Uc (рис. 30, 10).

рис. 30, 10

При этом меняется соотношение между UR и Uc увеличивается сдвиг фаз между общим током и напряжением (рис. 42, 4).

Если на пути напряжения обратной связи имеется несколько таких цепей, то вместе они могут создать на низших частотах весьма большой сдвиг фаз (вплоть до 180°) и таким образом превратить отрицательную связь в положительную. Подобные сдвиги фаз могут создаваться и другими последовательными и параллельными цепями, содержащими емкость С или индуктивность L (рис. 42, 5). Последняя, кстати, создает сдвиг фаз, при котором ток отстает от напряжения (рис. 42, 5, в, г).

рис. 42, 5

Дополнительные изменяющиеся с частотой сдвиги фаз, возникающие в RC– , RL– и LC– цепях, ограничивают допустимую глубину отрицательной обратной связи (рис. 43).

Рис. 43. С изменением частоты меняются фазовые сдвиги в сложных цепях (RС-цепочки, трансформатор и др.), и из-за этого отрицательная связь может превратиться в положительную. Сильная положительная обратная связь может привести к самовозбуждению.