Усилители: использование активных устройств для усиления мощности

Практическая польза активных устройств

Практическая польза активных устройств — их усилительная способность. Будь то управляемое напряжением или управляемое током устройство, количество мощности, требуемое от управляющего сигнала, обычно намного меньше мощности, доступной в управляемом токе. Иными словами, активное устройство не просто позволяет электричеству управлять электричеством; оно позволяет малому количеству электричества управлять большим количеством электричества.

Благодаря этому неравенству между управляющей и управляемой мощностями, активные устройства могут использоваться для управления большой мощностью (управляемой) путем приложения малой мощности (управляющей). Это поведение известно как усиление (amplification).

Закон сохранения энергии в машинах

Фундаментальное правило физики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Формально это правило известно как Закон сохранения энергии, и исключений ему не обнаружено. Если этот Закон верен — и общая масса экспериментальных данных подтверждает это — то невозможно построить устройство, способное взять малое количество энергии и магическим образом превратить его в большое количество энергии. Все машины, включая электрические и электронные схемы, имеют верхний предел эффективности 100 процентов. В лучшем случае мощность на выходе равна мощности на входе, как на рисунке ниже.

Выходная мощность машины может приближаться, но никогда не превышать входную мощность при 100% эффективности как верхнем пределе.

Обычно машины даже не достигают этого предела, теряя часть входной энергии в виде тепла, излучаемого в окружающее пространство и поэтому не входящего в выходной энергетический поток. (Рисунок ниже)

Реалистичная машина чаще всего теряет часть входной энергии как тепло при преобразовании её в выходной энергетический поток.

Вечные двигатели (Perpetual Motion Machines)

Многие люди пытались, безуспешно, спроектировать и построить машины, выдающие больше мощности, чем они потребляют. Такая вечная машина не только доказала бы, что Закон сохранения энергии не является законом, но и ввела бы в технологическую революцию, какой мир никогда не видел, так как она могла бы питать себя в замкнутом цикле и генерировать излишек мощности «бесплатно». (Рисунок ниже)

Гипотетическая «вечная машина» питает себя?

Несмотря на много усилий и множество недобросовестных заявлений о «свободной энергии» или over-unity машинах, ни одна никогда не проходила простой тест: питать себя собственной выходной энергией и генерировать энергию впридачу.

Усилители (Amplifiers)

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

Поскольку активные устройства способны управлять большим количеством электрической мощности с помощью малого количества электрической мощности, они могут быть расположены в схеме так, чтобы дублировать форму входной сигнальной мощности из большего количества мощности, поставляемой внешним источником питания. Результат — устройство, которое кажется магически увеличивающим мощность малого электрического сигнала (обычно переменного напряжения) в идентичную по форме волну большей амплитуды.

Закон сохранения энергии не нарушается, потому что дополнительная мощность поставляется внешним источником, обычно батареей постоянного тока или эквивалентом. Усилитель ни создает, ни уничтожает энергию, а лишь переформировывает её в желаемую волновую форму, как показано на рисунке ниже.

Пока усилитель может масштабировать малый входной сигнал в большой выходной, его источник энергии — внешний источник питания.

Иными словами, тококонтролирующее поведение активных устройств используется для формирования постоянной мощности от внешнего источника питания в ту же волновую форму, что и входной сигнал, производя выходной сигнал похожей формы, но другой (большей) мощности. Транзистор или другое активное устройство внутри усилителя просто формирует большую копию волновой формы входного сигнала из «сырой» постоянной мощности, предоставляемой батареей или другим источником питания.

Ограничения усилителей

Усилители, как и все машины, ограничены по эффективности максимумом 100 процентов. Обычно электронные усилители гораздо менее эффективны, рассеивая значительные количества энергии в виде тепловых потерь. Поскольку эффективность усилителя всегда 100% или менее, его никогда нельзя заставить функционировать как «вечный двигатель».

Требование внешнего источника питания обще для всех типов усилителей, электрических и неэлектрических. Обычный пример неэлектрической системы усиления — гидроусилитель руля в автомобиле, усиливающий силу рук водителя при повороте руля для движения передних колес. Источник мощности для усиления идет от двигателя. Активное устройство, управляющее «входным сигналом» водителя — гидравлический клапан, перекачивающий жидкостную мощность от насоса, прикрепленного к двигателю, к гидравлическому поршню, помогающему движению колес. Если двигатель останавливается, система усиления перестает усиливать силу рук водителя, и автомобиль становится очень трудно поворачивать.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Рабочий лист: Элементарная теория усилителей