Однако в первую очередь разберемся, как работает наше устройство. Если вам сложно представить, как соединены компоненты внутри макетной платы, взгляните на рис. 2.105. Затем изучите схему, приведенную на рис. 2.106, и вы поймете, что соединения между компонентами те же. Для объяснения того, как работает устройство, я использую электрическую схему.

Первое, на что вы должны обратить внимание, – это наличие некоторой симметрии схемы. Означает ли это, что левая и правая половины устройства делают одно и то же? Да, но не в один и тот же момент времени. В действительности, одна половина включает светодиод, а другая выключает его.

Рис. 2.103. Макет генератора

Рис. 2.104. Номиналы компонентов в схеме генератора

Рис. 2.105. Изображение скрытых проводников поможет понять взаимодействие компонентов

Рис. 2.106. Компоненты на этой электрической схеме расположены на тех же местах, что и на макетной плате

Понять нюансы работы устройства не так просто, потому что напряжение в различных точках схемы постоянно меняется, и в каждый момент происходит несколько явлений. Тем не менее, я нарисовал четыре «моментальных снимка» схемы, показывающих внутреннее состояние компонентов через некоторые интервалы времени; надеюсь, эти иллюстрации все прояснят.

Я опустил третий транзистор и светодиод на каждом рисунке, поскольку они не играют роли в создании колебаний.

Первый «снимок» приведен на рис. 2.107. Я обозначил провода цветом так:

• Напряжение на компонентах и проводниках, выделенных черным цветом, неизвестно или не задано.

• Напряжение на синих проводниках близко к нулю.

• Напряжение на красных проводниках приближается к положительному напряжению источника питания.

Рис. 2.107. Снимок 1: исходное состояние элементов генератора

• Белые проводники на короткое время оказываются под отрицательным напряжением (ниже заземления) по причинам, которые я скоро укажу.

Для транзисторов:

• Серый транзистор не проводит ток от коллектора к эмиттеру. Будем считать его выключенным.

• Розовый транзистор проводит ток (включен).

Транзисторы обозначены как Q1 и Q2, потому что это общепринятый способ обозначения полупроводниковых приборов. Маленький лепесток, выступающий на старых транзисторах с металлическим корпусом, придает им вид буквы Q, если смотреть сверху, и люди привыкли обозначать транзисторы так.

Резисторы r1 и R1 находятся слева, а резисторы r2 и R2 – справа. Строчными буквами обозначены резисторы с меньшими номиналами.

Прежде чем я начну объяснять работу схемы, сделаю последнее отступление. Учитывайте характерное поведение транзистора.

• Когда ток базы включает транзистор, его эффективное внутреннее сопротивление сильно снижается. Вследствие этого, если эмиттер заземлен, то напряжение на коллекторе также составит около О В, как и у всего, что подключено напрямую к коллектору. Напряжение на базе также может быть относительно низким, но не такое низкое, как на эмиттере. В таком состоянии находится транзистор Q2 на рис. 2.107.

• Когда транзистор выключается, его эффективное внутреннее сопротивление увеличивается как минимум до 5 кОм. Вследствие этого любой компонент, подключенный к коллектору, больше не заземляется через транзистор и может накапливать положительный заряд.

Работа устройства шаг за шагом

Я начну с произвольного момента, когда питание уже подано. После того как мы рассмотрим полный рабочий цикл, я вернусь к вопросу о том, откуда изначально берутся колебания.

Давайте предположим, что на снимке 1 транзистор Q1 был только что выключен, а транзистор Q2 только что включился. Нижний (по схеме) конец резистора r1 был заземлен через транзистор Q1, но теперь транзистор Q1 отключен, напряжение на его коллекторе начинает расти, и за счет этого увеличивается напряжение на левой (по схеме) обкладке конденсатора С1. Напряжение на базе транзистора Q1 также возрастает, но не так стремительно, потому что резистор R2 имеет более высокий номинал. Между тем, поскольку транзистор Q2 включен, он потребляет ток через резистор R2, понижая напряжение. Через базу транзистора Q2 также течет ток к шине заземления. Это исходная ситуация. Что дальше?

На снимке 2, показанном на рис. 2.108, напряжение на базе транзистора Q1 увеличилось достаточно, чтобы он начал включаться. Теперь он отводит ток от конденсатора С1, а также через свою базу, и эти провода сейчас выделены синим цветом. Резкое изменение напряжения на левой обкладке конденсатора С1 мгновенно вызывает аналогичное снижение на его правой обкладке (см. эксперимент 9). При этом напряжение на правой обкладке конденсатора С1 оказывается ниже нуля, что изображено белым проводом. Транзистор Q2 сразу же выключается из-за отрицательного смещения на его базе.

На снимке 3, показанном на рис. 2.109, транзистор Q.1 по-прежнему включен, а транзистор Q2 все еще выключен. Это зеркальное отображение снимка 1. Конденсатор С1 начинает заряжаться в противоположном направлении, через резистор R1. Постепенно это повышает напряжение на базе транзистора Q2.

На снимке 4, изображенном на рис. 2.110, транзистор Q2 начинает проводить ток, заземляя правую обкладку конденсатора С2. В результате напряжение на левой обкладке конденсатора С2 оказывается ниже нуля и транзистор Q.1 выключается из-за отрицательного смещения на базе. Это зеркальное отображение снимка 2.

Рис. 2.108. Снимок 2

Рис. 2.109. Снимок 3

Рис. 2.110. Снимок 4. Далее цикл повторяется

После снимка 4 цикл повторяется, начиная со снимка 1. Если добавить еще один транзистор и светодиод (как на рис. 2.106), то светодиод оказался бы включенным на снимках 1 и 4.

Разделительный конденсатор

Как вы видите, работа генератора колебаний довольно сложна для понимания. Однако данная схема распространена очень широко. Если вы поищите в картинках Google «генератор», то скорее всего найдете именно этот вариант. Тем не менее, многие люди испытывают трудности при изучении подобной схемы.

Главное состоит в том, что на снимках 2 и 4 резкое падение напряжения на одной обкладке конденсатора вызывает эквивалентное падение напряжения на другой обкладке – эффект, который вы наблюдали в эксперименте 9.

Как возникают колебания

Обратите внимание то, что рассмотренная схема симметрична. Когда вы подаете питание, почему бы обоим транзисторам не стать включенными или выключенными?

В идеальном мире, где два транзистора или два резистора могут быть абсолютно идентичными, такая схема окажется полностью симметричной. Но в реальности существует небольшое различие между резисторами и конденсаторами, вызванное производственными причинами, в результате чего один транзистор начинает проводить ток раньше другого. Как только это происходит, устройство выходит из равновесия и начинаются колебания.

Еще один вопрос, который требует пояснений, –