10. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

Использование диэлектрических элементов, называемых варикондами, для повышения уровня сигнала дает хороший эффект. По сравнению с электронными лампами и транзисторами вариконды обладают более высокой механической прочностью по отношению к ударам, вибрациям, тряске. Они практически не выделяют тепло, надежнее работают в условиях повышенной влажности, высокого давления и разрежения. Они малогабаритны, просты по конструкции, имеют меньшую стоимость, а срок службы их практически неограничен. Наряду с этим, вариконды нестабильны и чувствительны к изменению температуры среды. Однако эти недостатки могут быть скомпенсированы методами, известными для транзисторных устройств.

Вариконды представляют собой конденсаторы с сегнетокерамическим диэлектриком, имеющим нелинейный характер зависимости

диэлектрической проницаемости от напряженности Е приложенного электрического поля. Увеличиваясь резко с ростом напряженности и достигнув максимума при напряженности который в 5—6 раз превышает начальное значение при отсутствии поля, диэлектрическая проницаемость далее плавно снижается.

Характер этой зависимости имеет сходство с зависимостью магнитной проницаемости от напряженности поля в магнитном усилителе. Поэтому при проектировании и расчете усилителей на варикондах может быть использована методика, разработанная для магнитных усилителей.

Изготовляются вариконды в виде объемных образцов из различных сегнетокерамических материалов, отличающихся температурой Кюри, выше которой исчезают нелинейные свойства, и коэффициентом нелинейности. В табл. II 1.3 приведены основные параметры отечественных объемных варикондов с размерами от 0,5 до Здесь — коэффициент нелинейности, показывающий отношение максимальной емкости к номинальной. Так как емкость вариконда зависит от величины приложенного напряжения, то номинальное значение емкости определяют при 5 В и частоте 50 Гц. Разброс номинальных значений емкости для отдельных образцов перекрывает диапазон от —40 до +100%. В отличие от других нелинейных элементов, применяемых в усилительных устройствах, вариконды значительно менее подвержены влиянию влаги и температуры. Они сохраняют свои свойства при температуре среды от —40 до +60° С и влажности до 98%. С целью повышения механической прочности и влагостойкости вариконд заключается в оболочку из полиуретана, капрона или эпоксидной смолы.

Таблица III.3. Основные параметры объемных варикондов

Ток в цепи с варикондом по мере увеличения переменного напряжения возрастает, а затем достигает насыщения. Величина тока зависит также и от частоты питающего напряжения — чем выше частота, тем круче вольт-амперная характеристика вариконда. Управлять величиной тока можно также путем подачи на вариконд постоянного напряжения одновременно с напряжением переменного тока.

Применение вариконда в усилителе основано на использовании его как управляемого нелинейного реактивного (емкостного) сопротивления, аналогично тому, как в магнитном усилит еле используется дроссель в качестве управляемого нелинейного реактивного (индуктивного) сопротивления. В диэлектрическом усилителе рабочая точка также выбирается с помощью напряжения смещения (рис. III.48).

По сравнению с индуктивным реактивным элементом нелинейность диэлектрика значительно меньше. Если отношение максимальной дифференциальной магнитной проницаемости к минимальной у магнитных материалов, используемых в магнитных усилителях, не менее 25 (у некоторых материалов достигает 1000), то у диэлектриков отношение диэлектрических проницаемостей меньше.

Рис. III.48. Принципиальные схемы усилителей: а — магнитного; б — диэлектрического

С одной стороны, это обстоятельство следует расценивать как недостаток, так как резко ограничивается коэффициент усиления по напряжению. Однако, с другой стороны, невысокая степень нелинейности сокращает содержание гармоник на выходе диэлектрического усилителя по сравнению с магнитным усилителем.

Для исключения (или, по крайней мере, ослабления) гальванической связи между входной и выходной цепями в схеме усилителя предусмотрены блокирующие реактивные элементы. Дроссель (рис. III.48, б) снижает долю выходного тока, протекающего по входной цепи. Конденсатор запирает выходную цепь для входного сигнала и обеспечивает, кроме того, подачу на вариконд полного напряжения смещения. Целесообразно в качестве этого конденсатора использовать другой вариконд — это даст некоторое повышение коэффициента усиления схемы.

Коэффициент усиления по напряжению для диэлектрического усилителя несколько больше единицы, так как и входной сигнал постоянного тока, и напряжение переменного тока источника питания оказывают на вариконд одинаковое влияние.

Как усилитель мощности диэлектрический усилитель при усилении слабых сигналов благодаря высокому входному сопротивлению на частоте сигнала и малому выходному сопротивлению, так как частота напряжения питания намного, больше частоты сигнала,

позволяет получить усиление до нескольких десятков тысяч. Чем больше отношение этих частот, тем выше коэффициент усиления. Для очень низких частот сигнала или для сигнала постоянного тока, когда в качестве входного сопротивления может быть взято сопротивление изоляции варикондов, достигающее , усиление по мощности может практически превышать .

Принципиальная схема простейшего реверсивного диэлектрического усилителя на варикондах с выходной мощностью показана на рис. III.49.

Рис. III. 49. Принципиальная электрическая схема диэлектрического усилителя мощности

Усилитель предназначен для управления в следящей системе двухфазным электродвигателем и имеет к. Инерционность усилителя можно характеризовать постоянной времени

Одним из способов повышения коэффициента усиления по напряжению в пределах до 6—20 является включение резонансного контура в цепь управляющего сигнала или питающего напряжения.

Рис. III.50. Принципиальные электрические схемы резонансных диэлектрических усилителей: а — с источником смещения; б — без источника смещения

Пример схемы такого усилителя показан на рис. 111.50, а. В колебательном контуре, составленном из подстроечного конденсатора и индуктивности зашунтированной двумя варикондами создается последовательный резонанс. Это позволяет при сравнительно малом напряжении питания получить относительно большое напряжение на варикондах. Коэффициент усиления схемы зависит от соотношения частот и уровней напряжений питания и входного сигнала, добротности контура и крутизны характеристики варикондов.

На рис. III.50, б изображена принципиальная электрическая схема усилителя, отличающегося от предыдущего тем, что в нем отсутствует отдельный источник смещения. Напряжение смещения здесь создается за счет введения отрицательной обратной связи по току. Такие усилители называют усилителями с внутренней поляризацией. Разделение выхода усилителя на две цепи (постоянного тока на резисторе и переменного тока на дросселе позволяет подать через резистор смещение на вариконды. Отрицательная обратная связь, кроме того, стабилизирует режим работы усилителя.