1. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Особенностью электронных усилителей является их высокая чувствительность: они способны усиливать сигналы весьма малой мощности. Поэтому применение электронных усилителей особенно целесообразно в тех случаях, когда мощность на выходе чувствительных элементов или датчиков чрезвычайно мала (порядка нескольких микроватт).

В системах автоматического регулирования находят применение электронные усилители постоянного и переменного тока, однокаскадные и многокаскадные. Схема простого электронного усилителя постоянного тока приведена в табл. V.1 (схема 1). Определим коэффициент его усиления, имея в виду, что напряжение на аноде

Если — анодный ток, а напряжение равно напряжению на сетке то коэффициент усиления по напряжению в рассматриваемом случае будет

где — динамическая крутизна характеристики лампы.

Введем понятие статической крутизны тогда формулу (V. 1) можно переписать в виде

где — внутреннее сопротивление лампы.

(кликните для просмотра скана)

Из формулы (V.2) видно, что коэффициент усиления по напряжению тем больше, чем больше крутизна характеристики 50 и чем больше сопротивление . Итак, коэффициент усиления однокаскадного усилителя зависит от типа лампы и может изменяться в пределах от 10 до 80.

Другие схемы однокаскадных усилителей постоянного тока приведены в табл. V.1 под номерами 2, 3. Усилители этого типа отличаются высоким быстродействием и практически считаются безынерционными.

Принципиальные схемы наиболее распространенных усилителей переменного тока также приведены в табл. V.1 (схемы 4, 5). В системах автоматического регулирования используют в основном усилители переменного тока, так как они не имеют дрейфа нуля и обеспечивают создание простых схем во всех тех случаях, когда требуется иметь фазочувствительный усилитель.

Электронные усилители можно соединять последовательно. Коэффициент усиления такого многокаскадного усилителя определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Электронные усилители обладают большой чувствительностью, которую принято характеризовать коэффициентом чувствительности. Коэффициент чувствительности представляет собой отношение мощности в милливаттах, отдаваемой лампой в нагрузку, к квадрату напряжения на входе в вольтах. Эта величина для обычных усилительных ламп колеблется от 2 до 5.

Недостатком электронных усилителей является их малая выходная мощность, невысокая надежность, чувствительность к вибрациям и относительно большая мощность потребления.

Тиратронные усилители (схема 6 в табл. V. 1). В электронных усилителях максимальная выходная мощность не превышает 100 Вт, поэтому для получения значительных выходных мощностей применяют тиратронные усилители.

Тиратронами принято называть трехэлектродные газонаполненные электронные лампы. Колбы этих ламп заполняются инертным газом (неоном, аргоном), либо парами ртути. Вследствие этого процессы, происходящие в тиратроне, существенно отличаются от процессов, происходящих в обычных электронных лампах. Здесь за счет ионизации молекул газа, происходящей в результате их столкновения с быстро движущимися под действием потенциала анода электронами, ток тиратрона может достигать нескольких ампер. Это позволяет использовать тиратроны для управления мощными процессами. Коэффициент усиления по мощности тиратрона составляет величину порядка , т. е. при входной мощности около выходная мощность тиратрона может быть порядка 2-3 кВт и более.

Процесс ионизации газа требует определенного времени, поэтому тиратроны являются инерционными приборами. Время зажигания тиратрона составляет 10-в с, а время гашения с. Практически инерционность тиратронов проявляется при работе на высоких частотах. При питании тиратронов токами обычной частоты их можно рассматривать как безынерционные приборы.

Выходной ток тиратронов можно регулировать в больших пределах путем изменения амплитуды, фазы или смещения сеточного напряжения. Кроме того, тиратрон одновременно является и выпрямителем переменного тока в постоянный, а его выходная мощность достигает и более, что в несколько раз превышает выходную мощность электронных приборов вакуумного типа. Все эти преимущества тиратронов обусловили их широкое применение в устройствах автоматического управления электроприводами, а также в системах автоматического регулирования.

Полупроводниковые усилители. Малые габаритные размеры полупроводниковых усилителей, незначительная мощность потребления и высокая надежность привели к замене ламповых усилителей полупроводниковыми. В системах автоматического регулирования используют полупроводниковые усилители, работающие на постоянном и переменном токе. Усилитель напряжения с общим эмиттером показан в табл. V.1 (схема 7). Эта схема

характеризуется высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом усиления по мощности.

Коэффициент усиления по напряжению для данной схемы определяется по формуле

где — сопротивление нагрузки; — сопротивление генератора; — входное сопротивление усилителя.

На схеме 8 табл. V.1 показан двухтактный транзисторный усилитель мощности, обеспечивающий хорошее согласование и большой коэффициент усиления.

Для согласования полупроводниковых усилителей с низкоомной нагрузкой применяют схемы с общим коллектором (эмиттерные повторители). Схема эмиттерного повторителя приведена в табл. V.1 (схема 9). Эта схема характеризуется повышенным значением входного сопротивления, пониженным значением выходного сопротивления и совпадением фаз входного и выходного сигналов.

Коэффициент усиления эмиттерного повторителя с нагрузкой может быть найден по формуле

Как видно из формулы (V.4), коэффициент близок к единице. Схема эмиттерного повторителя применяется в корректирующих устройствах и выполняет в них роль разделительного усилителя.

В тех случаях, когда в системе автоматического регулирования требуется двухкаскадный усилитель, можно воспользоваться схемой 10 из табл. V.I. Для этой схемы нетрудно определить значение входных сопротивлений первого и второго каскадов:

При где имеем

Так как в рассматриваемой схеме то

На практике для схемы 10 можно получать значения изменяющиеся в пределах от 20 до 300 при дрейфе выходного напряжения, меньшем 0,2 В. При большом числе каскадов предусматривают специальные меры для снижения дрейфа усилителя и ликвидации температурной нестабильности транзисторов.

В последнее время широкое применение нашли усилители переменного тока на транзисторах. В качестве каскадов предварительного усиления применяют схемы 12—14. Схема 12 имеет делитель напряжения в цепи базы при одном источнике питания. Однако требования к стабильности источника питания в этой схеме достаточно высокие. Схему 13 используют при пониженных требованиях к стабильности источника питания. Работа этой схемы обеспечивается за счет введения в усилительный каскад отрицательной обратной связи. Схему 14 применяют при наличии двух источников питания и нежелательности включения конденсаторов в цепи эмиттеров. Оконечные каскады усиления обычно выполняют по двухтактной схеме (схема 9 в табл. V.1). Транзисторы работают в режимах классов А и Схема фазо-чувствитрльного каскада на транзисторе показана в табл. V.1 (схема 11).