Полупроводниковые диоды Электронные усилители и генераторы Источники питания электронных устройств Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора

Курс лекций и примеры решения задач по электротехнике.

Электронные усилители и генераторы

Электронные усилители

Транзисторные усилители

Назначением усилителя как электронного устройства является увеличение мощности сигнала за счет энергии источника питания.

В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усилители непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока; усилители сигналов с гармоническим несущим процессом, которые называют усилителями переменного тока; усилители импульсных сигналов – импульсные усилители. Из усилителей переменного тока выделяют узкополосные, или избирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник несинусоидального периодического тока. Импульсные усилители являются широкополосными.

В электронных устройствах применяют также усилители, преобразующие изменения амплитуды или фазы гармонического тока в соответствующие изменения значения и знака постоянного тока (напряжения). Называют их усилителями среднего значения тока.

В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности

,  (14.1)

где ,  – мощность выходного и входного сигналов соответственно.

Усилители на микросхемах В настоящее время многокаскадные усилители переменного тока с RC-связью выполняют на основе интегральных микросхем. Они состоят, как правило, из нескольких (не менее двух) каскадов. Полоса пропускания частот таких усилителей находится в пределах от 200 Гц до 100 кГц.

Генераторы синусоидальных колебаний Любой генератор состоит из усилителя и цепи положительной обратной связи.

Коммутационные схемы В сложных устройствах автоматического управления процессами для контроля большого числа параметров и различных переключений наряду с электронными ключами используют более сложные устройства, называемые коммутационными схемами. Примером такой схемы является интегральная схема управления впрыском топлива и зажигания двигателей внутреннего сгорания автомобилей (СУВЗ).

Логический элемент – это электронная схема, которая имеет один или больше входов X, реализующая на каждом выходе соответствующую логическую функцию Y от входных переменных. Логические элементы являются важнейшей составной частью устройств цифровой (дискретной) обработки информации – цифровых измерительных приборов, устройств автоматики и ЭВМ. Логические элементы, как правило, выполняют на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. В связи с этим цифровая информация представляется в виде логической переменной, принимающей всего два различных значения: логическая 1 – истинно и логический 0 – ложно.

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи При использовании логических и цифровых устройств в системах автоматизированного управления возникает проблема связи их с различными электронными преобразователями входных сигналов и исполнительными механизмами, у которых в большинстве случаев информация представлена в аналоговой форме в виде различных уровней напряжения и тока

Микропроцессор (МП) – программируемое электронное устройство, которое предназначено для обработки информации, представленной в цифровом коде, и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры изготовляют по интегральной технологии. Они представляют собой одну или несколько БИС

Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Соответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэффициенты усиления напряжения и тока

. (14.2)

Очевидно, что .

Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выходного  сопротивлений и сопротивлений источника сигнала  и нагрузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотношения ,  дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

Однако рассмотренные идеальные режимы усиления напряжения или тока на практике встречаются редко. Транзисторные усилители большей частью работают как усилители мощности в режиме согласованной нагрузки источника сигнала, а иногда и согласованной нагрузки усилителя, т.е. при  и .

Простейший усилитель принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом усилитель выполняется из нескольких каскадов. Усилители электронных устройств, как правило, состоят из двух или трех каскадов, которые называются входным, выходным и промежуточным каскадами.

Общим требованием к усилителям электронных устройств является как можно меньшее искажающее воздействие на сигналы. Необходимые информационные характеристики и параметры усилителей обеспечиваются при достаточно высокой стабильности коэффициентов усиления, практически линейной проходной характеристике, ограниченных линейных искажениях (сдвигах фаз гармонических составляющих сигналов) и малой инерционностью. Перечисленные свойства усилителей достигаются главным образом за счет обратных связей. Поэтому практически все усилители электронных устройств выполняются с обратными связями. Особое место занимают усилители с глубокой положительной, обеспечивающей релейный или автоколебательный режим их работы, и отрицательной  обратной связью – операционные усилители.

Усилительный каскад может быть выполнен на основе любой из трех схем включения транзистора. Однако преимущественно используются усилительные каскады по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) биполярного и схеме с общим истоком (ОИ) полевого транзисторов, как обеспечивающие наибольшее усиление (рис. 14.1 а, б).

Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размыкаются и к ним подключается нагрузка с сопротивлением , а к входным зажимам подключается источник сигнала с сопротивлением  и ЭДС . При = 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом источником питания  и источником смещения .

Резистор  уменьшает коэффициент усиления по току биполярного транзистора и крутизну характеристики полевого транзистора, поскольку их выходные сопротивления конечны.

Внутренняя положительная обратная связь в схеме включения биполярного транзистора с ОЭ, увеличивая коэффициент усиления мощности каскадом, одновременно увеличивает нестабильность коэффициента усиления. Поэтому усилительные каскады на основе схемы с ОЭ биполярного и с ОИ полевого транзисторов всегда выполняются с внешними (специально введенными) отрицательными обратными связями   (рис. 14.2 а, б).

В усилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наибольшие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30 Гц.

В усилителях переменного тока возможно гальваническое разделение цепей усиливаемого сигнала и цепей постоянного тока, задающих исходный режим транзистора, что является важной их особенностью. Разделение достигается путем использования реактивных сопротивлений – кондесаторов или трансформаторов для связи транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Соответственно различают усилители переменного тока с конденсаторными (RC-связями) и трансформаторными связями.

Достоинствами конденсаторных усилительных каскадов являются их относительная простота и технологичность изготовления. Однако их параметры, прежде всего коэффициент усиления мощности, хуже параметров трансформаторных каскадов. Достоинством последних является свойство обеспечения возможно большего приближения к оптимальному режиму усиления мощности вплоть до согласования транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Однако в связи с низкими значениями напряжений, применяемых для питания транзисторов, согласование возможно только в усилителях слабых сигналов. Такие усилители выполняют, как правило, с конденсаторными связями. С трансформаторными связями выполняют усилители больших сигналов, особенно выходные каскады (на биполярных транзисторах).

Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлектрических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот (). В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диапазоне от  до . Так как использование конденсаторов и трансформаторов в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.

Из числа схем усилителей постоянного тока наибольший интерес представляет параллельно-баланс–ная или дифференциальная схема (рис. 14.3). В ней использован принцип четырехплечего моста. Однако в такой схеме предъявляются особые требования к идентичности характеристик транзисторов и других элементов. Такие усилители могут выполняться как на биполярных, так и на полевых транзисторах. В дискретных устройствах (например, ЭВМ) их используют для выполнения арифметических операций.

Нейтральному проводу в магнитной системе трехфазного трансформатора соответствует средний общий стержень. При наличии симметричной трехфазной системы магнитных потоков этот стержень не нужен и может быть удален (рис. 4.6в), так как алгебраическая сумма этих магнитных потоков всегда равна нулю. Магнитный поток в стальном сердечнике трансформатора можно считать прямо пропорциональным напряжению и отстающим от него по фазе почти на 90°. Три первичных напряжения трехфазной системы, следовательно, должны обусловливать три потока одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе по отношению друг к другу на одну треть периода (120°).

Показанный на рис. 4.6в симметричный сердечник неудобен для изготовления и в настоящее время заменен несимметричным магнитопроводом (рис. 4.6г), который, можно мыслить как выпрямленный вариант магнитопровода (рис. 4.6в) Симметричная

трехфазная система первичных напряжений трансформатора возбуждает и в каком несимметричном магнитопроводе симметричную систем) магнитных потоков. Но из-за неравенства магнитных сопротивлении намагничивающие токи отдельных фаз между собой не равны- Однако эта несимметрия намагничивающих токов для основных соотношений существенного значения не имеет. Физически в каждый данный момент магнитный поток одного стержня замыкается через два других стержня магнитопровода (рис. 4.7).

Отметим, что для фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке справедливы те же отношения, что и для однофазного трансформатора. Эти условия нарушаются лишь в некоторых случаях при несимметричной нагрузке трехфазных трансформаторов.

Рис. 4.8.Трехфазный масляный трансформатор с трубчатым баком в частичном разрезе:

1 - катки, 2 — спускной кран для масла, 3 - изолирующий цилиндр, 4 — обмотка высшего напряжения, 5 — обмотка низшего напряжения, 6 — сердечник, 7 — термометр, 8, 9 — выводы низшего напряжении. 10 — выводы обмотки высшего напряжения. 11 — расширитель для масла, 12 — указатель уровня масла, 13 — радиаторы

Группа из трех однофазных трансформаторов дороже, чем трехфазный трансформатор той же мощности, занимает больше места, а кпд несколько ниже. Зато в качестве резерва на случай аварии или ремонта при такой группе достаточно иметь один однофазный трансформатор, так как маловероятно одновременное повреждение всех трех фаз трансформатора, а периодический ремонт их может осуществляться поочередно. Но при трехфазном трансформаторе в качестве резерва необходим второй трехфазный трансформатор. Таким образом, трехфазная группа обеспечивает большую надежность при эксплуатации; наконец, перевозка и установка трех однофазных трансформаторов при больших мощностях значительно проще перевозки и установки трехфазного трансформатора большой мощности.


На главный сайта: Курс Электротехники