Усилители и генераторы. Схемы, расчет усилителей и генераторов

В современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

Частный случай управления энергией, при котором процесс управления является плавным и однозначным и управляемая мощность превышает управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем. Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые электрические колебания поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся, — входной цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, назовем основным источником питания. Кроме него, усилитель может иметь и другие источники питания, энергия которых не преобразуется в электрические колебания. Устройство, являющееся потребителем усиленных электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

Усилители электрических сигналов (далее просто усилители), применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры. Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

Типы усилителей

Усилители делятся на ряд типов по различным признакам. По роду усиливаемых электрических сигналов усилители можно разделить на две группы:

  • усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя;
  • усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной величины и формы;

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:

  • усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты;
  • усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала;
  • усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства;
  • усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих непреобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

Усилители низкой частоты характеризуются большим отношением высшей рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10 — 500 для усилителей звуковых частот и превышающим 105 для некоторых типов видеоусилителей.

Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называются широкополосными усилителями.

К эксплуатационным показателям относятся: коэффициенты усиления, чувствительность, мощность на входе и коэффициент полезного действия. Коэффициент усиления определяется отношением установившегося значения напряжения, тока или мощности на выходе усилителя к его одноименному значению на входе.

Качественными показателями работы усилителя являются: диапазон усиливаемых частот, вносимые усилителем искажения, уровень помех и т. д.

Большинство современных усилителей многокаскадные (Рис. 1). Входное устройство ВхУ служит для согласования сопротивлений источника сигнала Ист.С и каскадов предварительного усиления Предв.У и уровней сигнала, симметрирования цепей, разделения постоянной составляющей источника сигнала и входной цепи усилительного элемента.

Структурная схема усилителя

Рисунок 1 – Структурная схема усилителя

Каскады предварительного усиления усиливают напряжение, ток или мощность до необходимого значения для нормальной работы выходного каскада усилителя Вых.У сигнал с выхода которого через выходное устройство Вых.У поступает в нагрузку Н. Выходные каскады усилителей бывают с непосредственным подключением нагрузки, резисторные, трансформаторные и дроссельные. Их подразделяют на одно- и двухтактные. Каскады предварительного усиления могут быть резисторными или трансформаторными.

Генераторы тока: переменного и постоянного

Отсутствие электричества сегодня не становится проблемой, как в быту, так и в промышленности. Широкий ассортимент генераторов тока позволяет решить проблему быстро, с минимальными трудозатратами. Резервные источники питания незаменимы в современной реальности — всему нужна электроэнергия. Гарантии, что подачу электроэнергии не прекратят в самый неподходящий момент – не может дать ни она организация. Поэтому резервная электростанция на базе генератора постоянного или переменного тока — важное, а зачастую незаменимое оборудование, которое обеспечивает непрерывность производства, комфорт в бытовой сфере, безопасность и непрерывность технологических процессов.

Что такое генератор тока…

Когда нет электрической энергии, требуется получить её из другого источника. Наши предки, например, использовали силу ветра, течения рек. Впрочем, сегодня подобную энергию применяют, если не жалко времени и сил на возведение плотин и ветряков. Генераторы тока стандартно «работают» на топливе, за счет вращения обмотки в магнитном поле преобразовывая механическую энергию вращения в электричество. Ток возникает в замкнутом контуре, протекает по обмоткам, когда к электростанции подключается потребитель — именно так работает генератор тока.

В зависимости от того, как вращается магнитное поле (при неподвижном или подвижном проводнике) различают два типа этих электрических машин — генераторы постоянного или переменного тока.

В чем разница между постоянным и переменным током

Вспоминаем уроки физики. Электроток — заряженные микрочастицы, которые «бегут» в определенном направлении. У постоянного тока частицы движутся по прямой, в одном направлении от минуса к плюсу. У переменного движение электронов идет по синусоиде с определенной частотой (полярность между проводами меняется несколько раз за заданный промежуток времени, Рис. 2).

Разница между движением заряженных частиц заложена в принцип работы генераторов электрического тока. Для простого обывателя можно сказать так: в розетке — переменный, в батарейке — постоянный. В качестве частного случая, с очень большим упрощением, можно сказать так: всё что с напряжением до 48 Вольт — всё постоянный, всё что от 100 до 500 Вольт — переменный.

Временная характеристика постоянного и переменного тока

Рисунок 2 – Временная характеристика постоянного и переменного тока

В чем конструктивная разница между генераторами

Несмотря на то, что конечный результат работы электростанций один — потребитель получает электроэнергию, методы преобразования механической энергии в электродвижущую силу и электричество различаются. Элементы (комплектующие) также отличны.

Особенности конструкции генераторов переменного тока (Рис. 3). Электростанция такого типа состоит из:

  • Внешней силовой рамы, изготовленной из высокопрочных сплавов. Корпус рассчитан на интенсивную нагрузку, возникающую при передаче магнитного потока от полюса к полюсу. Проще говоря: чугунный кожух не «пробивается» разрядами тока. Магнитных полюсов, закрепленные на корпусе болтами или шпильками. На «плюс» и «минус» монтируется обмотка.
  • Статора. Остов (статор) с катушкой возбуждения изготавливают из ферромагнитных материалов, на сердечнике устанавливают магнитные полюса, которые и образуют магнитное поле.
  • Вращающегося ротора (якоря). Задача магнитопровода — снизить вихревые токи и повысить КПД генератора постоянного тока.
  • Коммутационного узла, оснащенного щетками (обычно изготовленными из графита) и коллекторными пластинами из меди.

Конструктивной разницы в статоре и роторе между устройствами постоянного и переменного тока нет. Практически идентичны и силовые рамы. Существенное отличие в комплектации коммуникационного узла. Каждый выход механизма помимо щеток оснащен токопроводящими кольцами. «Закольцованный» ток движется по синусоиде и несколько раз в секунду достигает пика мощности.

Генератор переменного тока

Рисунок 3 – Генератор переменного тока

По типу устройства, характеристикам и принципу работы современные генераторы переменного тока делятся на синхронные и асинхронные (Рис.4).

Синхронный и асинхронный генератор

Рисунок 4 – Синхронный и асинхронный генератор

Специфика синхронного устройства: скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля в рабочем зазоре.

Асинхронным машинам характерны:

  • отсутствие электрической связи с ротором;
  • вращение якоря под воздействием остаточного механизма статора;
  • измененная электрическая нагрузка на статоре.

Такие агрегаты могут быть однофазными и трехфазными.

Простейший по конструкции генератор постоянного тока работает следующим образом (Рис. 5) :

Рамка вращается вокруг оси, расположенная на корпусе обмотка регулярно проходит через «минус» и «плюс» полюсов. Каждый раз при достижении разнополюсных точек, происходит смена направления тока на противоположное. В выходной цепи благодаря полукольцу, расположенному на коллекторном узле, создается постоянный ток. С помощью щеток с положительного или отрицательного полюса снимается потенциал и по схеме передается потребителю. Такая схема работает в простейшей конструкции, с одним плюсом и минусом.

Принцип работы генератора постоянного тока

Рисунок 5 – Принцип работы генератора постоянного тока

К преимуществам генераторов постоянного тока относят:

  • небольшой вес и компактность агрегата;
  • возможность использовать в экстремальных условиях;
  • отсутствие потерь, связанных с вихревыми токами.

Минус: на большую мощность при использовании устройств такого типа рассчитывать не стоит.

Принцип работы генератора переменного тока (Рис. 6) .

Принцип работы генератора переменного тока

Рисунок 6 – Принцип работы генератора переменного тока

Устройства такого типа преобразуют механику в электроэнергию, вращая проволочную катушку в магнитном поле. Ток вырабатывается, когда силовые линии пересекают обмотку. До тех пор, пока магнитное поле соприкасается с проводником, в нем индуцируется электроток. Идентичный принцип действует и в случае, если рамка вращается относительно магнита, пересекая силовые линии.

Основные достоинства генераторов переменного тока

В электростанциях с синусоидальной подачей тока отсутствует реактивная мощность. То есть весь запас электроэнергии (с вычетом потерь на проводах) расходуется на нужды потребителя, а не на поддержание работоспособности устройства.

Плюсами использования генераторов переменного тока являются:

  • большая выходная мощность при одинаковых габаритах устройств постоянного и переменного тока;
  • выработка электроэнергии на низких скоростях вращения ротора;
  • проще конструкция и схема, соответственно, меньше узлов, нуждающихся в техобслуживании и ремонте;
  • конструкция токосъемного узла отличается большей надежностью;
  • больше эксплуатационный ресурс и меньше эксплуатационные затраты.

Дополнительное преимущество: агрегаты с трехфазным питанием можно использовать для питания высоковольтных потребителей.

Где применяются генераторы постоянного и переменного тока

Оба вида генераторов популярны в бытовой и промышленной сфере.

Станции постоянного тока нашли применение в сфере транспорта.

Так, в трамваях, троллейбусах обычно установлены двигатели, работающие на постоянном токе. Низковольтные устройства незаменимы для питания систем освещения в местах, где нет доступа к централизованной подачи электроэнергии. Например, на борту самолетов. Если большая мощность — не основополагающая характеристика электростанции, то генераторы постоянного тока отлично справятся с питанием оборудования в учебных, медицинских учреждениях, лабораториях. Полноценные дизельные электростанции постоянного тока используются на аэродромах для зарядки и питания бортовых систем летной техники.

Электростанции переменного тока необходимы практически для всего остального. 99% того, что питается от централизованной сети — это устройства переменного тока. Соответственно, аварийное питание этих объектов так же должно осуществляться от соответствующего оборудования.

1. Схемы усилителей

Усилители электрических колебаний могут усиливать колебания по напряжению, по току, по мощности. Усиление электрических колебаний осуществляется за счет энергии источника постоянного тока. Таким образом, в усилителе происходит преобразование энергии источника постоянного тока в энергию усиливаемого сигнала. Усилители постоянного тока можно рассматривать как усилители электрических колебаний нулевой частоты.

Классификацию усилителей электрических сигналов можно проводить по различным признакам. По виду усиливаемых сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов. По типу используемых в усилителе усилительных элементов усилители подразделяют на магнитные, диэлектрические, ламповые, транзисторные и др. По назначению усилители подразделяют на телевизионные, измерительные, антенные, усилители звуковой частоты и т.д.

Усилители электрических колебаний звуковой частоты называют также усилителями низкой частоты. Усилители подразделяют на усилители переменного тока (не усиливающие постоянную составляющую сигнала), и усилители постоянного тока (усиливающие сигналы в полосе частот от нуля до некоторой рабочей частоты).

Базовым звеном любого усилителя является усилительный каскад. Обобщенная схема усилительного каскада показана на рисунке 7а.

Под действием управляющего напряжения 𝑈𝑈вх изменяется сопротивление, а, следовательно, и сила тока в выходной цепи усилительного элемента. Обычно ток в выходной цепи элемента изменяется по такому же закону, как и входное управляющее напряжение.

Резистор R и выходные зажимы управляемого элемента образуют резистивный делитель напряжения питания 𝑈𝑈пит.

Управляемый элемент обеспечивает преобразование энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на частоте усиливаемого сигнала. В качестве управляемых элементов используются электронные лампы, биполярные и полевые транзисторы.

Управляемые элементы называют также усилительными элементами. На рисунке 7б показана схема усилителя, в котором роль управляемого элемента выполняет биполярный транзистор VT1 вместе с резисторами R1, R2 и конденсатором С1. Резисторы R1, R2 и конденсатор С1 необходимы для задания рабочей точки биполярного транзистора.

Обобщенная схема усилительного каскада показана

Рисунок 7 – Обобщенная схема усилительного каскада показана

Усилители на биполярных транзисторах

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора: с общей базой (Рис. 8 а, г), с общим эмиттером (Рис.8 б, д), с общим коллектором (Рис. 8 в, е). На рисунках 8 а-в показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 8 г-е – с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

Усилители на биполярных транзисторах

Рисунок 8 – Усилители на биполярных транзисторах

Усилители в схеме включения транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Усилители в схеме включения транзистора с общим коллектором характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

Усилители на полевых транзисторах

Усилители на полевых транзисторах характеризуются очень большим входным сопротивлением. В усилителях на полевых транзисторах применяются три схемы включения транзисторов: с общим истоком (Рис. 9а), c общим затвором (Рис. 9б) и с общим стоком (Рис. 9в). Наибольшее распространение получила схема включения транзистора с общим истоком.

На рисунке 9г приведена схема усилительного каскада, в котором используется один источник питания. Необходимое напряжение на затворе относительно истока получается за счет падения напряжения на резисторе Rи.

Усилители на полевых транзисторах

Рисунок 9 – Усилители на полевых транзисторах

Сопротивление резистора выбирают таким, чтобы при протекании через него тока истока получилось определенное из стокозатворной характеристики напряжение на затворе относительно истока транзистора. Конденсатор CИ устраняет отрицательную обратную связь по переменному напряжению.

Сопротивление резистора 𝑅𝑅з выбирают с учетом двух противоречивых требований: с одной стороны, сопротивление этого резистора должно быть как можно больше, чтобы получить большее входное сопротивление усилительного каскада; с другой стороны, взять сопротивление резистора очень большим нельзя, т.к. будет нестабильной рабочая точка транзистора.

Нестабильность рабочей точки будет обусловлена температурными изменениями тока, протекающего от плюса источника питания через резистор 𝑅𝑅н, обратно смещенный p-n переход канал-затвор транзистора, резистор 𝑅𝑅з к минусу источника.

Через обратно смещенный p-n переход кремниевого полевого транзистора протекает ток около 1 нА. Сопротивление резистора 𝑅𝑅з выбирают обычно порядка 1 МОм.

Усилители на микросхемах

В радиоэлектронике широкое применение нашли операционные усилители. Свое название они получили потому, что первоначально проектировались для выполнения операций сложения, вычитания, интегрирования, дифференцирования и др.

Операционные усилители в настоящее время выполняются на микросхемах. Основные достоинства интегральных микросхем – высокая надежность, относительно низкая стоимость, малые размеры и масса, малая потребляемая мощность. Операционный усилитель имеет два входа и один выход. У него большое входное сопротивление, малое выходное сопротивление, большой коэффициент усиления постоянного напряжения. У идеального операционного усилителя входное сопротивление равно бесконечности, выходное сопротивление равно нулю, коэффициент усиления бесконечно велик, выходное напряжение равно нулю при одинаковых напряжениях на обоих входах. Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления до 105, полосу частот от нуля до 100 МГц, выходное напряжение, отличное от нуля при входном напряжении равном нулю.

Такому выходному напряжению соответствует некоторый мнимый входной сигнал, который называют напряжением смещения нуля. Напряжение смещения нуля изменяется при изменении температуры. Напряжение смещения нуля достаточно часто компенсируют подачей внешнего

постоянного напряжения противоположной полярности. Операционные усилители питаются от двух одинаковых источников напряжения, имеющих общую точку. Один из входов операционного усилителя называется инвертирующим, а другой – неинвертирующим. Фаза сигнала на выходе усилителя совпадает с фазой сигнала на неинвертирующем входе и противоположна фазе сигнала на инвертирующем входе.

В настоящее время имеется достаточно широкий ассортимент различных усилителей, выполненных на микросхемах. Это усилители высокой частоты, усилители промежуточной частоты, усилители низкой частоты и др. В последние годы очень популярными стали антенные усилители для улучшения качества приема телевизионных передач. Существует много вариантов построения принципиальных схем антенных усилителей, и в большинстве из них реализуется подача питания по тому же коаксиальному кабелю, по которому передается сигнал к телевизору желательного эффекта, т.к. наряду с усилением сигнала усиливаются и шумы.

2. Методика расчета и анализа многокаскадных усилителей

При расчете усилителей первоочередной задачей является проведение сравнительного анализа схемотехники усилителей аналогичного назначения. Кроме того, необходимо учитывать новейшие достижения усилительной техники и современной элементной базы.

Многокаскадные усилители применяются в тех случаях, когда простейшие однокаскадные усилители не удовлетворяют по тем или иным параметрам:

  • недостаток и нестабильность усиления;
  • большие нелинейные искажения;
  • низкая нагрузочная способность;
  • минимум выходного напряжения шумов.

Кроме того, многокаскадные усилители предназначены для получения больших значений коэффициента усиления. Принцип построения многокаскадных усилителей заключается в последовательном соединении нескольких одиночных каскадов. При этом решается задача согласования входных и выходных сигналов различных каскадов как по постоянному, так и по переменному току.

По виду межкаскадных связей усилители классифицируются на две группы:

  • усилители переменного тока;
  • усилители постоянного тока.

К первой группе относятся усилители с трансформаторными и RCсвязями, а ко второй – усилители с гальваническими связями. Особенностью усилителей первой группы является отсутствие между отдельными каскадами связи по постоянному току. Ввиду этого в каждом отдельном каскаде можно установить наиболее оптимальный режим работы по постоянному току, например, с точки зрения коэффициента усиления или вносимых искажений. Однако, если в этих усилителях входной сигнал кроме переменной содержит и постоянную составляющую, то после усилителя информация о постоянной составляющей будет потеряна.

В усилителях с гальваническими связями необходимо согласование сигналов как по постоянному, так и по переменному току. Это накладывает определенные ограничения на выбор режимов работы транзисторов и в большинстве случаев существенно затрудняет проектирование усилителя. Курсовое проектирование посвящено усилителям с RC-связями, как наиболее совместимым с методами современной технологии.

При проектировании усилителей переменного тока необходимо правильно выбирать элементы межкаскадной связи, поскольку именно эти элементы в большей степени определяют полосу пропускания усилителя. Основным критерием выбора элементов межкаскадной связи является уровень вносимых частотных искажений. Задачей расчета является обеспечение уровня вносимых искажений не больше заданного, т.е. обеспечение требуемой полосы пропускания усилителя. Принцип расчета цепей межкаскадных связей одинаков для усилителей как на биполярных транзисторах, так и на полевых транзисторах.

Расчет усилителя по переменному току состоит в определении усилительных характеристик и параметров схемы усилителя. На первом этапе по известным математическим моделям транзисторов составляется математическая модель всей схемы (так называемая электрическая эквивалентная схема). На втором этапе рассматривают по этой модели искомые характеристики и параметры известными методами расчета электрических цепей. По отношению к сигналам малой амплитуды (это вполне естественно, т.к. усилители собственно и предназначены для усиления слабых сигналов) транзистор можно рассматривать как линейное устройство. Это существенно упрощает расчет, т.к. возможно применение хорошо развитых методов расчета линейных электрических цепей.