Электроника?.. Нет ничего проще!

Беседа пятнадцатая СЕРВОМЕХАНИЗМЫ

Незнайкин — Как я рад видеть тебя, Любознайкин! Возможно ты поможешь мне найти решение проблемы, которая вот уже несколько дней не дает мне покоя.

Любознайкин — Так расскажи яснее о своих затруднениях, я весь — внимание.

Н. — Один из моих приятелей коротковолновик-любитель имеет направленную антенну. Он попросил меня помочь ему сделать для этой антенны систему управления, так как, находясь у еврей рации в комнате, он не может видеть установленную на крыше антенну, а ему нужно всегда знать, в какую сторону она направлена. Для получения информации о направлении антенны я предложил ему воспользоваться потенциометром, так как ты в свое время объяснил мне, что потенциометры можно использовать в качестве преобразователя положения.

Л. — Решение в принципе хорошее, но для твоего приятеля неприемлемое, потому что, как ты знаешь, потенциометр не может работать в пределах полного оборота — у него имеется определенный «мертвый» угол.

Н. — Об этом недостатке я знаю, но для данного случая он не имеет значения, так как рядом с домом моего приятеля находится огромное здание, практически закрывающее для его передач угол около 45°. Поэтому угол вращения его антенны ограничен, и он даже поставил упоры, не дающие поворотному механизму выходить за пределы рабочего пространства (рис. 140). Я нашел для него очень хороший потенциометр с мертвым углом всего лишь в 5° и помог ему сделать для поворачивающего антенну двигателя систему управления на двух транзисторах, чтобы мой приятель мог управлять всем своим сооружением с помощью маленького переключателя. Вольтметр, измеряющий напряжение между движком потенциометра и одним из его выводов, позволяет определить угол поворота антенны.

Рис. 140. Антенна поворачивается двигателем, управляемым током усилителя. Для определения занимаемого антенной положения с ее осью соединяется ось потенциометра, напряжение с которого указывает угол поворота антенны по шкале вольтметра V.

Л. — Все это очень хорошо. И я не вижу, какой совет я мог бы тебе дать. На мой взгляд, ты прекрасно справился с поставленной задачей.

Н. — Хм… только наполовину. По правде говоря, и я и мой приятель не очень довольны полученными результатами. Двигатель обладает определенной инерционностью, и чтобы антенна остановилась в нужном месте, его необходимо выключить немного раньше. Чаще всего антенна проскакивает нужный угол, и ее приходится поворачивать в обратную сторону. Нередко она вновь проскакивает заданный угол, и тогда приходится продолжать управление ею.

Л. — Я не только знаю решение, но и очень рад, что ты поставил передо мной эту проблему. Представь себе, что мы хотим заставить антенну совершить определенное движение, а точнее говоря, заставить ее занять заданное положение. В качестве органа управления мы используем второй потенциометр, который но мере возможности должен быть идентичным потенциометру, механически соединенному с антенной. Я могу даже посоветовать тебе укрепить этот второй потенциометр па доске, пропустив сквозь нее его ось. На доску ты можешь наклеить карту мира и тогда стрелка, соединенная с движком потенциометра, прямо покажет, куда направлена антенна.

Н. — Если в дополнение к изложенному ты расскажешь мне, как создать такую систему, то я стану в глазах моего приятеля самым великим инженером всех времен.

Л. — Ты увидишь, что для этого достаточно нескольких часов. Мы подадим одно и то же постоянное напряжение на обмотку антенного потенциометра и второго потенциометра, который назовем управляющим. Это мы сделаем для того, чтобы добиться равенства потенциалов на движках управляющего и антенного потенциометров.

Н. — Понятно, я даже догадываюсь, что — ты сейчас предложишь сделать. Ты скажешь, что вольтметр следует включить между движками потенциометров и, воздействуя на управляющее двигателем устройство, выставить вольтметр на нуль.

Л. — В одном ты прав, воздействие на занимаемое антенной положение сведет разность потенциалов между движками потенциометров к нулю. Только осуществлять эту операцию будет не твой друг, а автоматическая система.

Представь себе, что разность потенциалов между двумя движками подается на вход усилителя, выходной ток которого управляет вращением двигателя антенны. Если твой усилитель сделан хорошо и правильно пропускает постоянную составляющую, твоя проблема частично уже решена.

Н. — Чудесно! Я немедленно отправлюсь к своему приятелю устанавливать эту систему и…

Л. — И поссоришься с ним до конца своих дней! Если ты установишь эту систему без специальных мер предосторожности, то будешь пренеприятно удивлен зрелищем судорожно дергающейся антенны; антенна будет непрерывно дергаться до тех пор, пока не разрушится сама или не выйдет из строя двигатель, или не произойдет одновременно и то и другое.

Н. — Ты верен себе. Сначала описываешь заманчивое решение, а затем, не объясняя причин, заявляешь, что воспользоваться им нельзя!

Л. — He горячись, нужно просто внести в первоначальную схему небольшие усовершенствования, и она станет пригодной для практического использования. Колебания, о которых я тебе говорил, действительно могут произойти. Они вызываются тем, что при автоматическом управлении антенна и двигатель ведут себя точно так же, как и при испытанном тобой ручном.

Когда двигатель приводит в движение антенну, чтобы привести ее в заданное положение, он приобретает определенную инерцию. В момент прихода антенны в нужное положение двигатель обесточивается, но инерция заставит его проскочить заданное положение, в результате чего напряжение на его выводах переменится и двигатель начнет вращаться в обратную сторону. Возможно, что возникшие таким образом колебания успокоятся и все сооружение войдет в состояние устойчивого равновесия, но также возможно, что колебательные движения будут продолжаться бесконечно. В этот момент должна включиться система гашения колебаний.

Н. — Я знаю, как вызвать затухание колебаний в контуре, но не представляю, как остановить колебательные движения двигателя?

Л. — И тем не менее используемые в обоих случаях способы весьма сходны. Чтобы вызвать затухание колебаний в контуре, к его выводам подключают сопротивление, вызывающее рассеяние энергии на этом сопротивлении. А для остановки двигателя в качестве верного решения я советую тебе расположить на его оси систему с высокой вязкостью. Это своеобразный тормоз — чем выше скорость, тем больший создается тормозной момент.

Подобный результат можно получить с помощью очень простого устройства (рис. 141), состоящего из медного диска, помещенного в межполюсный зазор мощного магнита. Наводимые в массе диска токи (токи Фуко) порождают силы, тормозящие вращение диска; чем выше частота вращения диска, тем эффективнее воздействуют на него силы торможения. В этих условиях приблизившаяся к заданному положению антенна не сможет значительно проскочить предназначенную точку и после нескольких колебаний с небольшой амплитудой окончательно установится в нужном месте.

Рис. 141. Вращающийся в межполюсном зазоре магнита диск тормозится токами Фуко; чем выше скорость, тем больше сила торможения.

Н. — Да, это решение осуществимо, но оно мне совершенно не нравится, ибо, используя его, мы в значительной мере ограничиваем скорость двигателя. Это очень хорошо, когда антенна почти подошла в заданное положение, но не очень полезно, когда антенна находится еще далеко от предназначенной ей точки. Твоя система значительно увеличивает время, необходимое для установки антенны в рабочее положение.

Л. — Вызываемая задержка несколько меньше, чем ты думаешь. Не забывай, что чем дальше находится антенна от места, куда она должна прийти, тем больше напряжение между ползунками потенциометров. Поэтому подаваемое на двигатель напряжение увеличивается по мере увеличения предстоящего антенне пути. Следовательно, при большом пути двигатель может вращаться довольно быстро, несмотря на торможение; воздействие последнего становится преобладающим, когда антенна находится недалеко от заданной точки. А теперь я готов согласиться с тобой в том, что рассмотренное нами решение небезупречно.

Н. — Было бы очень хорошо иметь такой тормоз, который вступал в действие только в тот момент, когда антенна приближается к заданному положению, и лишь в том случае, если в этот момент двигатель вращается слишком быстро.

Л. — Незнайкин, ты стоишь на совершенно верном пути. Для решения сформулированной тобой задачи нужно наряду с напряжением между движками потенциометров ввести в усилитель, управляющий двигателем, напряжение, пропорциональное частоте вращения двигателя. Наиболее простой способ осуществления этой идеи заключается в механическом подключении к двигателю динамомашины, которую в подобных системах называют тахометрическим генератором. Этот генератор дает напряжение, пропорциональное частоте вращения двигателя, которое вычитают из разности потенциалов между движками потенциометров (рис. 142).

Рис. 142. В этом сервомеханизме напряжение, выдаваемое тахометрическим генератором, вычитается из напряжения погрешности (разности потенциалов между движками двух потенциометров). В этих условиях двигатель может вращаться быстро лишь при большом напряжении погрешности; когда управляемый потенциометр приближается к заданному положению, двигатель уже не может вращаться так быстро, как раньше, таким образом тахометрический генератор замедляет вращение двигателя при подходе к заданной точке и тем самым устраняет проскакивание ее и колебательные движения всего подвижного сооружения относительно заданной точки.

Н. — Но зачем понадобилось спаривать динамомашину с двигателем? Ведь совсем недавно ты объяснил мне, что двигатель постоянного тока и динамомашина одно и то же. Я еще до сих пор не забыл, что во время работы двигатель вспоминает, что он еще и динамомашина, и это проявляется в возникновении противо-э. д. с. Нельзя ли ею воспользоваться?

Л. — Отчасти ты прав, но использовать эту э. д. с. не всегда удобно. В самом деле, напряжение на зажимах двигателя представляет собой сумму э. д. с. и падения напряжения, вызываемого прохождением тока по обмотке якоря, обладающей определенным сопротивлением. Имеются схемы, позволяющие воспользоваться напряжением на зажимах двигателя для получения напряжения, пропорционального частоте, которое затем используется для демпфирования всего устройства. Однако эти схемы отличаются большой сложностью, и я не советую тебе ими увлекаться. Ведь не следует забывать, что наш двигатель подключен к выходу усилителя и что поэтому тебе не так легко будет определить напряжение на его зажимах. А при спаренном с двигателем тахометрическом генераторе ты получишь пропорциональное частоте вращения напряжение на двух не соединенных с корпусом проводах, которое можно очень легко вычесть из разницы потенциалов между движками потенциометров. В случае необходимости ты даже можешь с помощью диодов или аналогичных им приборов ограничить даваемое динамомашиной напряжение. Таким образом, удается ограничить соответствующее скорости торможение, что позволяет при значительной разнице в положении движков потенциометров получить очень высокие частоты вращения системы двигатель — тахометрический генератор.

Н. — Решение в самом деле очень изящное, но воспользоваться им будет довольно трудно, так как все механические элементы системы управления антенной уже смонтированы, и я не знаю, хватит ли мне места уместить тахометрический генератор.

Л. — В продаже можно найти небольшие двигатели, которые сами содержат тахометрический генератор. Провода обмоток двигателя и динамомашины намотаны вместе, но электрически изолированы друг от друга; такой двигатель имеет два независимых коллектора и две пары щеток. Однако на тот случай, если ты хочешь как можно меньше переделывать уже существующую установку, можно воспользоваться другим, правда менее совершенным решением, которое, однако, дает не такие уж плохие результаты. Для его осуществления ты должен подать напряжение с движка антенного потенциометра на дифференцирующую схему наподобие изображенной на рис. 64. Так как приложенное к ее входу напряжение пропорционально занимаемому антенной положению, то на выходе дифференцирующей схемы ты получишь напряжение, пропорциональное частоте вращения антенны. Должным образом усиленное выходное напряжение этой схемы вместе с разностью потенциалов между движками потенциометров подается на вход усилителя, что позволит осуществить демпфирование движения системы. Может быть, результаты будут несколько хуже, чем при использовании системы с тахометрическим генератором, но в этом случае можно обойтись наименьшей переделкой уже построенной установки.

Н. — Полагаю, что теперь ты нашел наилучшее для меня решение, и я, несомненно, им воспользуюсь. Мой приятель будет в восторге.

Л. — Я полагаю, что твоя установка его полностью удовлетворит. При хороших потенциометрах можно получить точность ориентации лучше одного градуса, что для антенны более чем достаточно.

Н. — Одно в твоей системе меня весьма интригует. Если воспользоваться твоими определениями, то воздействующий на антенну двигатель следует назвать исполнительным элементом, а антенный потенциометр — преобразователем. Однако в твоей системе исполнительный элемент связан непосредственно с преобразователем, а последний подает свой сигнал на исполнительный элемент через усилитель.

Л. — Ты указал прямо на главную особенность устройств подобного типа. Именно это воздействие исполнительного элемента на преобразователь характеризует сервомеханизмы.

Н. — Так, значит, в сервомеханизмах в качестве преобразователя используются только потенциометры?

Л. — Дело не только в этом. Существует бесчисленное множество и других систем. Сервомеханизмы характеризуют не тип преобразователя, а общность принципа построения схемы, которую я изобразил для тебя на рис. 143.

Рис. 143. Структурная схема системы автоматического регулирования (сервомеханизма), в которой двигатель стремится привести управляемый объект в такое положение, при котором напряжение ошибки было бы равно нулю.

Как ты видишь, здесь рядом с управляющим органом имеется компаратор, который сравнивает положение (или состояние) управляющего органа с положением (или состоянием) объекта регулирования, т. е. органа, которым мы хотим управлять. Компаратор выявляет различие в состоянии этих органов, преобразует его в сигнал погрешности, который подает на усилитель. Выходное напряжение усилителя воздействует на двигатель, который стремится привести объект регулирования в положение, как можно более близкое к положению управляющего органа.

Н. — При всем моем предубеждении к блок-схемам приведенная на рис. 143 схема представляется мне довольно понятной. В системе управления антенной роль управляющего органа выполняет потенциометр, который будет поворачивать рука моего приятеля, а в качестве объекта регулирования выступает антенна (поэтому потенциометр антенны служит преобразователем положения). Разность потенциалов между двумя движками — не что иное, как сигнал погрешности, который мы подаем на усилитель. Однако на структурной схеме, приведенной на рис. 143, ты не изобразил системы демпфирования, о которой ты только что мне рассказывал.

Л. — Они не всегда необходимы, а кроме того, на таких упрощенных структурных схемах их обычно не изображают. А теперь мне хотелось бы, чтобы ты уяснил, что сервомеханизм — весьма общее понятие. Терминам, которыми я пользовался, нужно придать очень широкий смысл. Например, когда я говорю «двигатель», ты должен понимать, что я имею в виду не только обычный электродвигатель, но и все, что может порождать движение, а точнее, все, что может что-то изменять.

Н. — Для большей ясности я предпочел бы получить конкретный пример такого нематериального двигателя.

Л. — В этом случае я могу назвать тебе «моноформер». Так называют аппарат, в котором пятно на экране электронно-лучевой трубки можно заставить прийти точно в то место, где расположенная снаружи картонная заслонка или маска наполовину его закрывает. Такой результат можно достичь в аппарате, принцип действия которого в виде схемы изображен на рис. 144. Усилитель получает напряжение от фотоэлемента Ф, а его выходное напряжение, подаваемое на систему вертикального отклонения электронно-лучевой трубки, стремится отклонить луч вниз, если фотоэлемент освещен…

Рис. 144. Пример системы автоматического регулирования. Фотоэлемент Ф получает больше или меньше света с экрана электронно-лучевой трубки в зависимости от того, насколько пятно электронного луча перекрывается расположенной перед экраном картонной заслонкой; фотоэлемент управляет положением электронного луча.

Н. — Понял! Когда электронный луч находится в открытой зоне экрана, он освещает фотоэлемент, что порождает на выходе усилителя соответствующее напряжение. Следовательно, луч будет отклоняться вниз до тех пор, пока создаваемое им пятно не окажется наполовину скрытым заслонкой, потому что если луч опустится ниже, усилитель не даст выходного напряжения и луч будет стремиться вновь подняться вверх.

Л. — Ты совершенно правильно понял. Как ты видишь, в этом случае роль «двигателя» выполняет отклоняющее действие, которое оказывает на электронный луч выходное напряжение усилителя. Управляющим органом служит картонная заслонка, а компаратор здесь не что иное, как оптический закон, гласящий, что свет распространяется по прямой линии, ибо когда пятно на экране электронно-лучевой трубки будет ниже картонной заслонки, фотоэлемент не будет освещен, а когда оно будет выше картонной заслонки, на фотоэлемент попадет свет. Как ты видишь, терминам схемы рис. 143 необходимо придавать очень широкий смысл.

Н. — Откровенно говоря, кроме общей схемы организации, я не вижу ничего общего между твоим «моноформером» и системой управления антенной. Но я должен признаться, что сервомеханизмы — для меня совершенно новая область.

Л. — На самом деле, не такая уж новая. Ты, вероятно, сам того не подозревая, уже делал сервомеханизмы или, правильнее сказать, системы автоматического регулирования (это понятие шире предыдущего). Я твердо убежден, что ты уже собирал усилители низкой частоты с отрицательной обратной связью.

Н. — Разумеется, как и любой другой радиолюбитель. Но я не вижу здесь ничего общего с сервомеханизмом. Впрочем, должен сказать, что при сборке усилителя я как дисциплинированный солдат строго выполнял приложенные к схеме инструкции. Я прочитал, что в данном усилителе, добавив один резистор в этом месте и еще один в том, можно существенно улучшить качество звучания за счет некоторой потери усиления, что совершенно не страшно, если первоначальная схема обладает избыточным усилением. Я попробовал, результаты оказались очень хорошие, но должен признаться, что я до сих пор не совсем понимаю почему.

Л. — Если ты повнимательнее присмотришься к добавленным в схему усилителя резисторам, то поймешь, что они имеют целью подать на вход определенную часть выходного напряжения. Для создания такой обратной связи можно, например, снять напряжение со вторичной обмотки трансформатора и, взяв с помощью делителя из резистора десятую часть этого напряжения, подать ее на катод первой лампы или на эмиттер первого транзистора.

Н. — Именно так я и делал свою схему лампового усилителя, но у меня не было впечатления, что при этом что-то вычитается из выходного напряжения.

Л. — Но именно вычитание и происходит, когда ты подаешь напряжение на катод лампы. Это подключение дает такой же результат, как если бы это напряжение с обратным знаком подать на сетку, так как в лампах имеет значение только разность потенциалов между сеткой и катодом. А теперь сравни блок-схему на рис. 143 со схемой, которую я вычертил для тебя на рис. 145.

Рис. 145. Отрицательная обратная связь в усилителе осуществляется путем вычитания из входного напряжения части выходного напряжения. Такой усилитель представляет собой систему автоматического регулирования.

Как ты видишь, входное напряжение представляет собой не что иное, как разность между истинным входным напряжением U_вх и частью выходного напряжения βU_вых. Часть выходного напряжения U_вых поступает на вход через аттенюатор с коэффициентом передачи β (меньше единицы). Полученное напряжение βU_вых с аттенюатора поступает на один вход «разностной схемы», а на другой вход этой схемы подается входное напряжение U_вх.

Н. — Ты мне уже рассказывал о схеме ИЛИ, о схеме И, но я пока еще ничего не слышал о «разностной схеме».

Л. — Эта схема не относится к категории логических. Ее можно сделать, например, на одной лампе, на сетку которой подается напряжение U_вх, а на катод — напряжение βU_вых; анодным током лампы управляет разность этих напряжений U = U_вх — βU_вых.

Н. — Теперь я достаточно хорошо разобрался в твоей схеме, но я совершенно не понимаю, какую пользу она может нам дать.

Л. — Сейчас ты увидишь. Представь себе, что усилитель имеет очень высокий коэффициент усиления (т. е. отношение U_вых/U). Значит, для получения выходного напряжения U_вых достаточно подать на вход чрезвычайно малое напряжение U, Следовательно, можно сказать, что напряжение U, представляющее собой разность между входным напряжением U_вх и напряжением βU_вых, практически ничтожно мало по сравнению с каждой из этих величин. Это означает, что они равны или почти равны одна другой, т. е. можно сказать, что практически U_вх = βU_вых. Возьмем для наглядности числовой пример.

Предположим, что исходный коэффициент усиления нашего усилителя 10 000, значит, для получения выходного напряжения 10 в на входе необходимо иметь напряжение 1 мв. Предположим, что аттенюатор ослабляет сигнал в 50 раз, иначе говоря, что его коэффициент передачи β = 0,02. По этим данным можно рассчитывать, что при выходном напряжении U_вых = 10 в напряжение βU_вых равно 200 мв. Для получения U = 1 мв необходимо иметь входное напряжение U_вх = 201 мв, тогда разность между U_вх и βU_вых составит 1 мв.

Н. — Я легко понял твои объяснения, но до сих пор вся «выгода» от твоей отрицательной обратной связи свелась к необходимости иметь входное напряжение в 201 раз больше, чем при непосредственной подаче на вход усилителя. Может быть в этом и есть определенный смысл, но должен признаться, что я его не вижу.

Л. — Ты отчасти прав. В самом деле, при использовании отрицательной обратной связи требуется повышенное входное напряжение, но этот недостаток существенного значения не имеет, так как всегда можно повысить первоначальное усиление. Но ты очень скоро обнаружишь преимущества этой системы. Назови, пожалуйста, Незнайкин, основные недостатки усилителя.

Н. — Прежде всего, на мой взгляд, следует сказать, что он обходится дорого, а собирать его очень скучно.

Л. — Задавая свой вопрос, я имел в виду не эти недостатки, а несовершенства электрической схемы.

Н. — Тогда, я полагаю, что ты намекаешь на вносимые усилителем искажения и на то, что его полоса пропускания не так широка, как хотелось бы, иначе говоря, на то, что иногда усилитель пропускает очень высокие и очень низкие частоты не так хорошо, как средние.

Л. — Ты совершенно правильно сформулировал мою мысль. Если вдуматься, то несомненно заметишь, что оба эти недостатка возникают вследствие изменения коэффициента усиления. Плохая передача слишком высоких или слишком низких частот определяется изменением усиления в зависимости от частоты. Если бы усиление изменялось в зависимости от амплитуды, то возникали бы нелинейные искажения.

А теперь посмотри изображенную на рис. 145 схему: новый коэффициент усиления очень близок к 50 (10 в на выходе при 201 мв на входе). Представь себе, что в силу каких-то причин коэффициент усиления усилителя снизился в 10 раз. Тогда для получения на выходе 10 в на вход нужно подать уже не 1 же, а 10 мв. Но в этом случае напряжение βU_вых останется, как и раньше, 200 мв. В этих условиях для получения U = 10 мв необходимо увеличить напряжение U_вх с 201 до 210 мв. Иначе говоря, новый коэффициент усиления всего устройства теперь будет не 50, а 10/0,21 = 47,6, что соответствует снижению по сравнению с первоначальной величиной примерно на 4,2 %. Как ты видишь, при очень большом изменении коэффициента усиления усилителя коэффициент усиления всего устройства изменился незначительно. Следовательно, наша схема позволила сделать коэффициент усиления весьма стабильным.

Н. — Но коэффициент усиления будет стабильным только при условии сохранения на неизменном уровне ослабления сигнала, вносимого аттенюатором.

Л. — Очень хорошее замечание. Но не забывай, что получить в высшей степени стабильное ослабление совсем нетрудно. Такую задачу можно, например, выполнить с помощью делителя напряжения на резисторах, введя в него в случае надобности небольшие конденсаторы для компенсации вредного воздействия паразитных емкостей. Очень легко сделать аттенюатор, делящий напряжение в 50 раз в очень широкой полосе частот и при сильно изменяющихся значениях входного напряжения. Иначе говоря, теперь коэффициент усиления всего устройства U_вых/U_вх равен обратному коэффициенту ослабления аттенюатора, т. е. 1/β. Таким образом, нам удалось сделать коэффициент усиления исключительно стабильным.[21]

Н. — Я пришел в восторг от знакомства с этой системой. Ты только что дал решение одной проблемы, с которой мне недавно пришлось столкнуться. Я захотел сделать усилитель с коэффициентом усиления 1000, чтобы превратить свой вольтметр в милливольтметр. Такой усилитель я сделал, но мне очень мешало значительное изменение коэффициента усиления из-за колебаний напряжения сети или старения ламп.

Л. — В самом деле это идеальное решение для создания усилителя для измерительной аппаратуры. Как видишь, Незнайкин, введение отрицательной обратной связи позволило превратить обычный усилитель в точный измерительный прибор. Необходимо сказать, что, если мы научились делать усилители с очень высоким коэффициентом усиления, то значительно труднее, не прибегая к отрицательной обратной связи, получить коэффициент усиления, укладывающийся в заданные пределы, когда нижняя и верхняя границы очень близки одна к другой.

Очень часто от выполнения такой задачи отказываются и ограничиваются тем, что делают коэффициент усиления выше некоторого минимума, что в принципе весьма просто. А теперь мне остается добавить, что отрицательная обратная связь вносит в схему и другие улучшения. Она снижает паразитные шумы усилителя, и в частности, свист, создаваемый плохо отфильтрованным напряжением питания.

Н. — Превосходно, но я не понимаю, каким образом ей это удается.

Л. — Дело в том, что этот паразитный шум дает нам некоторое напряжение, которое накладывается на выходное напряжение U_вых, как бы источник паразитного напряжения включили последовательно выходу усилителя; аттенюатор передает на вход разностной схемы часть этого паразитного напряжения, откуда он попадет на вход усилителя, благодаря чему в выходном напряжении усилителя появляется своеобразная составляющая, которая противодействует этому паразитному напряжению и значительно его ослабляет. Я не стану тебе показывать расчеты вносимого улучшения (кстати сказать, они очень простые), а посоветую только запомнить, что в итоге паразитное напряжение оказывается разделенным на некоторую величину β_k, которую называют коэффициентом отрицательной обратной связи. В нашем числовом примере этот коэффициент равен 200[22].

Н. — Чудесно! Значит, если усилитель ужасно свистит, его можно полностью успокоить отрицательной обратной связью?

Л. — Совершенно верно. Но на этом приятные для тебя сюрпризы не заканчиваются. Воздействие отрицательной обратной связи проявляется еще в снижении выходного сопротивления. Если нагрузка потребляет некоторый ток на выходе усилителя, то напряжение U_вых проявляет тенденцию к снижению из-за наличия в усилителе выходного внутреннего сопротивления. Это снижение в известной мере напоминает паразитное напряжение вроде напряжения свиста, о котором мы только что говорили. Отрицательная обратная связь оказывает противодействие этому снижению и значительно его уменьшает. В результате этого выходное внутреннее сопротивление усилителя оказывается разделенным на тот же самый коэффициент β_k. Можно также доказать, что отрицательная обратная связь сильно повышает входное сопротивление этого усилителя — оно умножается на коэффициент β_k.

Н. — Изумительно! Эта отрицательная обратная связь все устраивает к лучшему!

Л. — Действительно, она многое устраивает весьма удачно. Однако, применяя отрицательную обратную связь, необходимо проявлять определенную осторожность. Вырабатываемое нашим усилителем выходное напряжение U_вых в принципе находится в фазе с напряжением U. На высоких частотах может произойти определенный сдвиг фазы, и если различие в фазе между выходным и входным напряжением достигнет 180°, отрицательная обратная связь превратится в положительную. Тогда взамен положительных качеств отрицательной обратной связи мы получим все недостатки положительной, правда, эти недостатки сопровождаются увеличением коэффициента усиления, но это может принести пользу, если усиление на частотах, где сдвиг фазы достиг 180°, не очень большое. В противном случае устройство начинает генерировать. Чем выше коэффициент отрицательной обратной связи мы хотим получить, тем больше внимания следует уделить проблеме сдвига фазы.

Н. — Это напоминает мне одно происшедшее со мной неприятное приключение. Однажды я сделал усилитель с отрицательной обратной связью, который прекрасно работал до тех пор, пока я не заменил в нем одну из ламп на аналогичную, но имевшую слишком большой коэффициент усиления, — усилитель сбесился и очень странно зашумел наподобие корабельного двигателя.

Л. — На этот раз генерирование произошло на очень низких частотах. Твой усилитель несомненно не является усилителем постоянного тока, и поэтому на очень низких частотах произошел сдвиг фазы между выходным и входным напряжениями (рис. 146, б). При первоначальном умеренном усилении (сплошная линия на рис. 146, а) ты не мог услышать колебаний во всей полосе частот. При увеличении усиления (пунктирная линия на рис. 146, а) ты увеличил коэффициент отрицательной обратной связи и превысил предел, на котором происходит самовозбуждение усилителя.

Рис. 146. На низких частотах усиление усилителя снижается (а), а сдвиг фазы увеличивается (б). На определенной частоте сдвиг фазы достигает 180°. Если на этой частоте коэффициент усиления меньше единицы (сплошная линия), то обратная связь не приводит к самовозбуждению. Если при повышении коэффициента усиления (пунктирная линия) он оказывается больше единицы на частотах, где произошел сдвиг фазы на 180°, то схема начинает генерировать.

Н. — По-видимому, так и было, а я никак не мог понять, почему мой усилитель плохо пропускал низкие частоты.

Л. — Отчасти это верно, хотя проблема в основном заключается не в усилении, а в сдвиге фазы. Этот сдвиг порождается переходными цепочками связи RС, соединяющими анод одной лампы с сеткой следующей.

Н. — В этом случае я мог исправить положение, увеличив емкость всех этих конденсаторов.

Л. — Я внес бы небольшое исправление в твой метод, а именно, следовало бы увеличить емкость всех конденсаторов за исключением одного. Доказательство этого положения потребовало бы очень сложных расчетов, но ты можешь понять его значение, если я тебе скажу, что максимальный сдвиг фазы, который может внести одна цепочка связи RC, достигает 90°.

Кроме того, цепочка связи ослабляет сигнал, и это ослабление увеличивается со снижением частоты. Если при неизбежном ослаблении можно снизить частоту так, чтобы другие цепочки связи не внесли значительного сдвига фазы, следует на частотах, на которых общий сдвиг фазы достиг 180°, уменьшить коэффициент усиления усилителя ниже критической величины, на которой возникает самовозбуждение.

Н. — О, это чрезвычайно сложно! Здесь, как и в истории с фазами, сложность становится ужасной.

Л. — Ты в известной мере прав. Проблемы, связанные с фазами, часто оказываются весьма трудными, что осложняется еще и тем, что многие еще не привыкли их решать.

Н. — Теперь я начинаю понимать аналогию между сервомеханизмами и усилителями с отрицательной обратной связью. Можно сказать, что предложенная тобой для вращения антенны система, как опытный лоцман, приводит ее к такому состоянию, когда разность потенциалов движков потенциометров станет равной нулю. А твой усилитель (рис. 145) также «управляет» своим выходным напряжением до тех пор, пока разность между напряжением U_вх и 1/50 выходного напряжения не станет практически равна нулю или, вернее сказать, не будет соответствовать требованию входа усилителя.

Л. — Ты прекрасно понял, Незнайкин, должен признать, что твое прозвище тебе все меньше и меньше подходит. Сегодня ты в отличной форме!

Н. — Прошу тебя обходиться без комплиментов, я всегда такой.

Л. — Ну, хорошо, пользуясь предоставившимся случаем, я напомню тебе, что в рассмотренных ранее схемах мы уже встречались с отрицательной обратной связью и говорили о ее положительных качествах. Помнишь ли ты системы, которые мы использовали для снижения выходного сопротивления усилителя?

Н. — Да, ты говорил мне о катодном и об эмиттерном повторителях. Я помню также странную схему, которую ты назвал «суперэмиттерный повторитель» (см. рис. 50).

Л. — В таком случае теперь ты должен понять, почему эта схема обладала интересными свойствами. Изображенная на рис. 51 схема представляет собой двухкаскадный усилитель с очень большим коэффициентом усиления, в котором непосредственная связь осуществлена благодаря использованию взаимно дополняющих транзисторов n-р-n и р-n-р. Входное напряжение подается между эмиттером и базой первого транзистора, а выходное напряжение снимается с нагрузочного резистора, включенного в цепь коллектора второго транзистора, иначе говоря, между коллектором этого транзистора и корпусом.

Соединив эмиттер первого транзистора с коллектором второго, в схеме, приведенной на рис. 50, мы подали на этот эмиттер все выходное напряжение, которое, как и в других случаях, вычитается из входного напряжения. Здесь коэффициент β равен единице. Общий коэффициент усиления новой схемы тем ближе будет к единице, чем выше был первоначальный коэффициент усиления усилителя, схема которого изображена на рис. 51[23].

Точно так же обстоит дело и с простым эмиттерным повторителем (см. рис. 49). Если нагрузочный резистор оставить включенным между эмиттером и корпусом, а входное напряжение приложить между эмиттером и базой (входное напряжение в этом случае подают по двум отдельным изолированным от корпуса проводам), то ты получишь классический усилитель.

Н. — Не может быть! Ведь нагрузочный резистор включен не в цепь коллектора, а в цепь эмиттера.

Л. — Это не имеет никакого значения. Важно только одно, а именно, что ток транзистора управляется напряжением, приложенным между базой и эмиттером, и что этот ток протекает по резистору, создавая на его выводах переменное напряжение. А то что резистор включен не в цепь коллектора, а в цепь эмиттера, существенного значения не имеет, потому что в цепях этих электродов протекают практически одинаковые токи. Как ты видишь, от этой схемы переходят к схеме эмиттерного повторителя, изображенной на рис. 49, подавая входное напряжение между базой и корпусом. В этих условиях выходное напряжение вычитается из входного и получаемая в результате разность прилагается между базой и эмиттером. Это тоже полная отрицательная связь, т. е. отрицательная обратная связь с коэффициентом β, равным единице.

Н. — Теперь я понимаю, какой интерес представляют эти схемы. Совершенно ясно, что они имеют низкое выходное внутреннее сопротивление, очень стабильный коэффициент усиления и высокое входное сопротивление.

Л. — Совершенно верно. А теперь для завершения нашей темы мне хотелось немного рассказать тебе об автоматической системе регулирования скорости, т. е. о том, как заставить двигатель покорно выдерживать заданную скорость и по нашему желанию изменять ее.

Н. — Ну, это совсем несложно. Я полагаю, что в этом случае ты воспользуешься синхронным двигателем, который будешь питать переменным напряжением строго заданной частоты. Разве не так?

Л. — Действительно, в некоторых случаях используют такое решение. Но иногда бывает трудно сделать широкополосный усилитель и генератор переменной частоты, способные давать достаточную мощность для приведения в действие большого двигателя. Обычно предпочтение отдают двигателю постоянного тока, снабженному преобразователем скорости, например тахометрическим генератором.

Н. — А что будет делать здесь эта система демпфирования?

Л. — Тахометрический генератор может служить для демпфирования в системе автоматического регулирования положением, как, например, для вращения антенны твоего друга, но его можно использовать и иначе (рис. 147).

Рис. 147. Для поддержания постоянства частоты вращения двигателя на вход управляющего им усилителя подают разность между стабильным управляющим напряжением е₀ и пропорциональным скорости напряжением и, которое выдает спаренный с двигателем тахометрический генератор.

Вырабатываемое им напряжение и сравнивается с фиксированным управляющим напряжением е₀; разность этих напряжений e₀ — u подается на вход усилителя, выходное напряжение которого управляется двигателем. При снижении скорости двигателя управляющее им напряжение повысится, что позволит двигателю справиться с тормозящим усилием. Таким образом осуществляется автоматическое управление частотой вращения.

Для управления скоростью двигателя широко используют управляющие системы на тиратронах, о которых я тебе уже говорил; в этом случае скорость двигателя заставляют воздействовать на фазу зажигания тиратрона. Такие системы получили наибольшее распространение на заводах для управления электродвигателем различных станков: они позволяют заставить громадный двигатель вращаться медленно, но с большим крутящим моментом или наоборот с большой, но всегда строго заданной частотой вращения.

Н. — Я внимательно слушал твои объяснения, но теперь мне кажется, что моя способность восприятия или, как ты говоришь, моя форма резко ухудшается. Я полагаю, что лучше перенести продолжение нашей беседы на другой день.