Номер 2.79, страница 50 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 2. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в полупроводниках - номер 2.79, страница 50.

Условие.

2.79*. На рисунке 2.26 представлена упрощённая схема усилителя на транзисторе с общей базой. Объясните принцип действия усилителя и назначение каждого обозначенного элемента.

Рис. 2.26

Решение.

Принцип действия усилителя

Принцип действия усилителя заключается в преобразовании энергии источника постоянного тока (2) в энергию усиленного переменного сигнала с помощью управляющего элемента — транзистора (3).

Звуковые волны от голоса человека попадают на микрофон (1). Микрофон преобразует звуковые колебания в слабый переменный электрический сигнал (входной сигнал), форма которого повторяет форму звуковых колебаний. Этот сигнал поступает на вход усилителя — на эмиттерный переход транзистора (3).

Транзистор (3) включен по схеме с общей базой. База транзистора является общей для входной (эмиттер-база) и выходной (коллектор-база) цепей. Источник питания (2) создает необходимые постоянные напряжения смещения на выводах транзистора, переводя его в активный режим работы. Слабый входной сигнал, поданный на эмиттер, модулирует ток эмиттера $I_E$.

Поскольку коэффициент передачи тока в схеме с общей базой близок к единице ($\alpha = I_C / I_E \approx 1$), изменения тока коллектора $I_C$ практически полностью повторяют изменения тока эмиттера $I_E$. Однако, выходной сигнал снимается с коллекторной нагрузки — резистора (4), сопротивление которого $R_C$ значительно больше входного сопротивления эмиттерного перехода $r_{in}$.

Из-за этого падение напряжения на нагрузке $U_{out} = I_C \cdot R_C$ оказывается во много раз больше входного напряжения $U_{in} = I_E \cdot r_{in}$. Коэффициент усиления по напряжению $A_U = U_{out} / U_{in} \approx R_C / r_{in} \gg 1$. Таким образом, происходит усиление напряжения и, как следствие, мощности сигнала. Усиленный переменный сигнал через разделительный конденсатор поступает на динамик (громкоговоритель), который преобразует его обратно в звуковые волны, но уже значительно большей громкости.

Ответ: Усилитель преобразует энергию источника питания в энергию усиленного выходного сигнала, форма которого повторяет форму слабого входного сигнала. Усиление напряжения происходит за счет того, что входной сигнал изменяет ток в цепи с высоким сопротивлением нагрузки (коллекторной цепи), создавая на ней большое падение напряжения, в то время как входное сопротивление цепи (эмиттерной) мало.

Назначение элемента 1

Элемент 1 — это микрофон. Его назначение — преобразование звуковых колебаний (механической энергии) в переменный электрический сигнал (электрическую энергию) той же формы и частоты. Этот сигнал является входным для усилителя.

Ответ: Микрофон (1) преобразует звуковой сигнал в электрический.

Назначение элемента 2

Элемент 2 — это источник постоянного тока (например, батарея). Его назначение — обеспечение транзистора (3) энергией, необходимой для усиления. Источник создает постоянные токи и напряжения (режим покоя), которые переводят транзистор в активный рабочий режим. Именно энергия этого источника преобразуется в энергию усиленного выходного сигнала.

Ответ: Источник питания (2) обеспечивает энергией схему усилителя и задает рабочий режим транзистора.

Назначение элемента 3

Элемент 3 — это биполярный p-n-p транзистор, включенный по схеме с общей базой. Это основной усилительный (активный) элемент схемы. Его назначение — управлять током в цепи коллектора (выходной цепи) с помощью малого входного сигнала, поданного в цепь эмиттера (входной цепи). За счет этого и происходит усиление сигнала по напряжению и мощности.

Ответ: Транзистор (3) является активным элементом, осуществляющим усиление сигнала.

Назначение элемента 4

Элемент 4 — это резистор, включенный в цепь коллектора транзистора. Он называется коллекторной нагрузкой или нагрузочным резистором ($R_C$). Его назначение — преобразование изменений коллекторного тока в изменения напряжения. Усиленный переменный ток, протекая через этот резистор, создает на нем большое переменное падение напряжения ($U_{out} = I_C \cdot R_C$), которое и является усиленным выходным сигналом.

Ответ: Резистор (4) является нагрузкой, на которой создается усиленное выходное напряжение.