Усилители

Практические преимущества активных устройств

Практическая польза от активных устройств заключается в их усилении способность. Независимо от того, управляется ли рассматриваемое устройство по напряжению или по току, количество мощности, требуемой для управляющего сигнала, обычно намного меньше, чем количество мощности, доступное в управляемом токе. Другими словами, активное устройство не просто позволяет электричеству управлять электричеством; это позволяет маленькому количество электроэнергии, чтобы контролировать большой количество электроэнергии.

Из-за этого несоответствия между контролирующими и контролируемый мощности, активные устройства могут использоваться для управления большой мощностью (управляемой) путем приложения небольшой мощности (управление). Такое поведение известно как усиление . .

Закон сохранения энергии в машинах

Основное правило физики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена. Формально это правило известно как Закон сохранения энергии, и на сегодняшний день не было обнаружено никаких исключений из него. Если этот Закон верен - а подавляющая масса экспериментальных данных предполагает, что это так, - тогда невозможно построить устройство, способное принимать небольшое количество энергии и волшебным образом преобразовывать ее в большое количество энергии. Все машины, включая электрические и электронные схемы, имеют верхний предел эффективности 100 процентов. В лучшем случае выходная мощность равна входящей мощности, как показано на рисунке ниже.

Выходная мощность машины может приближаться, но никогда не превышать, потребляемой мощности для 100% эффективности в качестве верхнего предела.

Обычно машины не могут даже соответствовать этому пределу, теряя часть своей входящей энергии в виде тепла, которое излучается в окружающее пространство и, следовательно, не является частью выходного потока энергии. (Рисунок ниже)

Реалистичная машина чаще всего теряет часть входящей энергии в виде тепла при преобразовании ее в выходной поток энергии.

Вечный двигатель

Многие люди безуспешно пытались спроектировать и построить машины, которые производят больше энергии, чем потребляют. Не только такой вечный двигатель машина доказала, что Закон сохранения энергии не был законом, но он возвестил бы технологическую революцию, которую мир никогда не видел, поскольку она могла бы приводить себя в действие по круговой петле и генерировать избыточную энергию «бесплатно». (рисунок ниже)

Гипотетический «вечный двигатель» питается сам?

Несмотря на большие усилия и множество недобросовестных заявлений о «бесплатной энергии» или сверхъединстве машин, ни одна из них не прошла простой тест на получение энергии за счет собственной выходной энергии и выработку энергии в запасе.

Усилители

Однако существует класс машин, известных как усилители . , которые способны принимать сигналы малой мощности и выводить сигналы гораздо большей мощности. Ключ к пониманию того, как усилители могут существовать без нарушения Закона сохранения энергии, заключается в поведении активных устройств.

Поскольку активные устройства могут управлять большое количество электроэнергии при небольшом количестве электроэнергии, они могут быть скомпонованы в схему так, чтобы дублировать форму мощности входного сигнала от большего количества энергии, подаваемой от внешнего источника питания. В результате получается устройство, которое, кажется, волшебным образом увеличивает мощность небольшого электрического сигнала (обычно волны переменного напряжения) в форму волны идентичной формы большей величины.

Закон сохранения энергии не нарушается, потому что дополнительная мощность подается от внешнего источника, обычно батареи постоянного тока или эквивалентной. Усилитель не создает и не разрушает энергию, а просто преобразует ее в желаемую форму волны, как показано на рисунке ниже.

Хотя усилитель может масштабировать небольшой входной сигнал до большого выходного сигнала, его источником энергии является внешний источник питания.

Другими словами, поведение активных устройств при управлении током используется для формы Электропитание постоянного тока от внешнего источника питания преобразуется в сигнал той же формы, что и входной сигнал, создавая выходной сигнал такой же формы, но с другой (большей) величиной мощности. Транзистор или другое активное устройство в усилителе просто образует более крупную копию формы волны входного сигнала от «сырого» источника постоянного тока, обеспечиваемого батареей или другим источником питания.

Ограничения усилителей

Усилители, как и все машины, имеют ограниченный КПД до 100 процентов. Обычно электронные усилители намного менее эффективны, чем они, рассеивая значительное количество энергии в виде отработанного тепла. Поскольку КПД усилителя всегда составляет 100 процентов или меньше, его никогда нельзя заставить работать как устройство «вечного двигателя».

Требование внешнего источника питания является общим для всех типов усилителей, электрических и неэлектрических. Распространенным примером неэлектрической системы усиления может быть усилитель рулевого управления в автомобиле, усиливающий силу рук водителя при повороте рулевого колеса для перемещения передних колес автомобиля. Источником энергии, необходимой для усиления, является двигатель. Активным устройством, управляющим «входным сигналом» водителя, является гидравлический клапан, передающий мощность жидкости от насоса, прикрепленного к двигателю, к гидравлическому поршню, помогающему движению колеса. Если двигатель перестает работать, система усиления не может усилить силу руки водителя, и автомобиль становится очень трудно повернуть.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист по теории элементарного усилителя