Электроника:Полупроводники/Усилители и активные устройства/Усилители

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Усилители[1]

Практическая польза от активных устройств

Практическая польза активных устройств заключается в их усилительной способности. Независимо от того, управляется ли рассматриваемое устройство напряжением или током, количество мощности, требуемое для управляющего сигнала, обычно намного меньше, чем количество мощности, необходимое для управляемого тока. Другими словами, активное устройство не просто позволяет электричеству управлять электричеством; это позволяет небольшому количеству электричества контролировать большое количество электричества.

Из-за этого несоответствия между управляющей и управляемой мощностями активные устройства могут использоваться для управления большой (управляемой) мощностью посредством приложения небольшого количества (управляющей) мощности. Такое поведение известно как усиление.

Закон сохранения энергии в машинах

Основной закон физики гласит, что энергию невозможно ни создать, ни уничтожить. Формально это правило известно как Закон сохранения энергии, и на сегодняшний день не обнаружено никаких исключений из него. Если Закон верен – а подавляющая масса экспериментальных данных предполагает, что это так, – тогда невозможно построить устройство, способное принимать небольшое количество энергии и волшебным образом преобразовать её в большое количество энергии. Все машины, включая электрические и электронные схемы, имеют верхний предел эффективности 100 процентов. В лучшем случае выходная мощность равна входной мощности:


Рис. 1. Выходная мощность машины может бесконечно приближаться к потребляемой мощности, но никогда не превысит её. 100% эффективности – это верхний предел.
Рис. 1. Выходная мощность машины может бесконечно приближаться к потребляемой мощности, но никогда не превысит её. 100% эффективности – это верхний предел.


Обычно машины не могут соответствовать даже этому пределу, теряя часть своей входной энергии в виде тепла, которое излучается в окружающее пространство и, следовательно, не является частью выходного потока энергии:


Рис. 2. Реальная машина чаще всего теряет часть своей входной энергии в виде тепла при преобразовании её в выходной поток энергии.
Рис. 2. Реальная машина чаще всего теряет часть своей входной энергии в виде тепла при преобразовании её в выходной поток энергии.


Вечные двигатели

На протяжении тысячелетий несть числа безуспешным попыткам спроектировать и построить машины, которые производят больше энергии, чем потребляют. Такой вечный двигатель не только опровергнул бы Закон сохранения энергии, но и возвестил бы о беспрецедентной технологической революции, поскольку энергия могла бы вечно циркулировать по кругу, генерируя «бесплатные» излишки.


Рис. 3. Гипотетический «вечный двигатель» работает сам по себе?
Рис. 3. Гипотетический «вечный двигатель» работает сам по себе?


Несмотря на огромные усилия и множество недобросовестных заявлений о «бесплатной энергии» или сверхединичных устройствах, ни разу не был пройден простой тест на получение собственной и одновременно с тем выработки излишков энергии.

Усилители

Однако существует класс машин, известных как усилители, которые принимают сигналы малой мощности и выдают выходные сигналы гораздо большей мощности. Ключ к пониманию того, почему усилители не нарушают закон сохранения энергии, заключается в поведении активных устройств.

Поскольку активные устройства способны управлять большим количеством электроэнергии с помощью небольшого количества электроэнергии, они могут быть скомпонованы по схеме, где волна мощности входного сигнала дублируется из большего количества энергии, подаваемой от внешнего источника питания. В результате получается устройство, которое, якобы, волшебным образом увеличивает мощность небольшого электрического сигнала (обычно это волна переменного напряжения) в волну большей величины.

Закон сохранения энергии не нарушается, потому что дополнительная мощность подаётся от внешнего источника, обычно это батарея постоянного тока или что-то подобное. Усилитель не создаёт и не уничтожает энергию, а просто преобразует её в желаемую волновую форму, как показано на рисунке ниже.


Рис. 4. В то время как усилитель масштабирует небольшой входной сигнал до большого выходного сигнала, его источником энергии является внешний источник питания.
Рис. 4. В то время как усилитель масштабирует небольшой входной сигнал до большого выходного сигнала, его источником энергии является внешний источник питания.


Другими словами, управляющий ток в поведении активных устройств нужен для использования волны постоянного тока от внешнего источника питания в качестве входного сигнала, производя выходной сигнал той же формы, но другой (большей) величины мощности. Транзистор или другой активный элемент внутри усилителя всего лишь «сырую» мощность постоянного тока преобразует в бо́льшую копию волны входного сигнала, предоставляемой батареей или каким другим источником питания.

Ограничения усилителей

Усилители, как и все машины, имеют ограниченную эффективность, не превышающую 100 процентов. Обычно электронные усилители гораздо менее эффективны, ибо рассеивают значительное количество энергии в виде отработанного тепла. Поскольку КПД усилителя всегда составляет 100 процентов или меньше, его невозможно заставить работать как устройство «вечного двигателя».

Требование внешнего источника питания является общим для всех типов усилителей, хоть электрических, хоть неэлектрических. Типичным примером неэлектрической системы усиления – усилитель рулевого управления в автомобиле, усиливающий силу рук водителя при повороте рулевого колеса для перемещения передних колес автомобиля. Энергия, необходимая для усиления, исходит от двигателя. Активным устройством, управляющим «входным сигналом» водителя, является гидравлический клапан, передающий гидравлическую энергию от насоса, соединённого с двигателем, к гидравлическому поршню, содействующему движению колеса. Если двигатель перестаёт работать, система усиления не может усилить силу руки водителя, и, крутя руль, колёса автомобиля всё ещё можно развернуть, но это потребует значительных физических усилий самого человека.

См.также

Внешние ссылки