Продолжаем рассмотрение «водяной» аналогии, помогающей понять основные закономерности электротехники.
Сегодня мы рассмотрим «водные» аналоги «активных» элементов – трансформатора и полупроводниковых устройств.
Трансформатор
Реальный трансформатор – это две катушки индуктивности, намотанные на общем сердечнике. Чтобы получить «водяной» аналог – мы также должны взять аналоги катушек индуктивности (массивыные крыльчатки, рассмотренные в прошлой статье), и связать их магнитной муфтой, вроде той, что используется для стрелки спидометра. В такой муфте два магнита – чем быстрее вращается один магнит, присоединённый к валу, тем больше повернется магнит, присоединённый к стрелке спидометра, и тем сильнее она отклонится. Заметим, что второй магнит (и стрелка с ним) не может свободно вращаться. Только отклоняться тем сильнее, чем быстрее вращается первичный вал.
В нашей «водной» аналогии трансформатора две крыльчатки соединены именно через такую магнитную муфту. И чем быстрее вращается первичная крыльчатка, тем на больший угол будет повёрнута выходная крыльчатка.
Здесь снова возникает вопрос – как же такой трансформатор создаст поток воды во вторичном контуре, ведь вторичная крыльчатка просто отклонится, и не будет двигать воду! Как же он может работать?
Ответ состоит в том, что для работы трансформатору нужен переменный ток. В этом случае – первичная крыльчатка будет не вращаться, а только колыхаться, и вслед за ней через магнитную муфту будет колыхаться и вторичная крыльчатка. В результате вода во вторичном контуре тоже начнёт колебательное движение – возникнет переменный ток.
Здесь аналогия достаточно близкая. Если в реальном трансформаторе пустить по первичной обмотке постоянный ток – на вторичной обмотке мы ничего не получим. Только переменный ток в первичной обмотке будет создавать переменный ток во вторичной.
Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод пропускает электричество только в одну сторону. Поэтому «водяной» аналог такого прибора – это обратный клапан.
Биполярный транзистор
Основным элементом электросхем является транзистор, который бывает биполярным или полевым. В отличие от компонентов, рассмотренных вышe, у него три выхода. Внешне биполярный и полевой транзисторы отличить можно только по маркировке, но работа и электрические параметры этих транзисторов существенно отличаются.
Сперва рассмотрим биполярный транзистор. В нашей «водной» аналогии такой транзистор состоит из двух водяных каналов, имеющих общий «слив», аналог эмиттера. Основной канал - это аналог канала "коллектор-эмиттер". Второй канал - управляющий, это аналог базы.
Работа биполярного транзистора состоит в том, что «базовый» поток отклоняет заслонку, и это движение открывает «коллекторную» задвижку, тем сильнее, чем больше отклонена заслонка. То есть, с помощью слабого «базового» потока можно управлять более сильным потоком через коллектор.
При изменении потока через базу, заслонка отклоняется пропорционально потоку, и пропорционально двигает задвижку коллекторного потока. В результате поток по направлению коллектор-эмиттер изменяется пропорционально потоку база-эмиттер, и больше его в несколько раз. Это аналог основного усилительного режима транзистора.
Заметим, что, если базовый поток настолько силен, что базовая заслонка полностью открыта – пропорциональность исчезает, поскольку коллекторная задвижка тоже полностью открыта, и дальнейшее увеличение потока через базу уже на коллекторный поток не влияет. Это аналог ключевого режима транзистора (насыщение).
Полевой транзистор
Полевой транзистор называется так, потому что ток через его канал управляется полем, созданным в области затвора. По затвору при этом ток не проходит, затвор обладает высоким сопротивлением.
Поэтому «водяная» аналогия полевого транзистора – это труба, в стенке которой есть резиновая мембрана.
Выходы этой трубы – аналоги истока и стока. К мембране (по ещё одной трубе, аналогу затвора) может подводиться внешний напор. Чем больше этот внешний напор, тем сильнее мембрана прогибается внутрь трубы, и тем сильнее перекрывает канал полевого транзистора. При этом поток через канал будет пропорционален давлению, подведённому к мембране. Таким образом, с помощью напора, подведенного к затвору, можно регулировать поток по каналу "исток - сток".
Заметим, что при определенном уровне этого давления мембрана может совсем перекрыть канал. Такая ситуация называется «отсечкой».
Резюме
Представленная «водяная» аналогия позволяет наглядно иллюстрировать базовые принципы работы элементов электрических схем. Безусловно, в данной аналогии очень много натяжек и условностей. Однако, она весьма полезна для начинающих.
Читайте также