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 φ. Сдвиг фаз определяется соотношением хс и R: чем больше хс по сравнению с R, тем больше угол φ, 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 φ 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.
Как правило, в усилителях НЧ глубина обратной связи составляет 5—15 дб на каскад. Такая величина позволяет в несколько раз снизить нелинейные искажения, значительно уменьшить выходное сопротивление оконечного каскада, осуществить заметную коррекцию частотной характеристики. Конкретные схемы отрицательной обратной связи вы найдете в усилителях, описанных в этой и двух последующих главах.
Музыка в чемодане
Есть люди, которые предъявляют к звуковоспроизводящей аппаратуре обязательное требование: она должна быть легкой и удобной в переноске. Подобный подход к делу зачастую можно считать вполне правильным. Для многих (особенно для тех, кого годы еще не превратили в неисправимых домоседов) главное достоинство радиолы или магнитофона действительно состоит в том, что их можно взять под мышку и принести на школьный вечер или захватить в гости к товарищу.
К сожалению, в небольших переносных аппаратах трудно добиться высокой верности воспроизведения звука. Но трудно — это еще не значит невозможно. Разумно используя все имеющиеся в нашем арсенале средства, можно и нужно стремиться к тому, чтобы качество звучания переносной аппаратуры было достаточно высоким, чтобы музыка в чемодане была настоящей музыкой.
Сейчас мы познакомимся с несколькими конструкциями и схемами простых переносных радиограммофонов. Основные узлы каждого из них — электропроигрыватель (мотор, диск, звукосниматель), усилитель низкой частоты с громкоговорителями. При желании к этому комплекту можно легко добавить простейший приемник (рис. 68, 9) и таким образом превратить радиограммофон в переносную радиолу.
