Усилители

Усилитель - это устройство, в нагрузку которого поступает усиленный по мощности сигнал. Эффект усиления сигнала по мощности наблюдается только в том случае, когда имеется источник энергии, за счёт которого можно увеличить мощность сигнала на выходе.

Мощность сигнала, выделяющаяся в нагрузке усилителя, представляет собой преобразованную энергию источников питания, управляемую входным напряжением или входным током.

Мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем мощность на его входе. Это и отличает усилители от пассивных четырехполюсников, таких, как, например, трансформаторы, с помощью которых можно повысить напряжение или ток, но нельзя повысить мощность.

Источником входного сигнала может служить звукосниматель, фотоэлемент, микрофон, термопара и др. Нагрузкой усилителя обычно бывает громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, электроннолучевая трубка и др.

Отрицательная обратная связь, называемая часто для краткости просто обратной связью, также используется в усилителях для уменьшения нелинейных искажений сигнала. Для этого часть выходного сигнала усилителя подается обратно на вход. Если контур обратной связи охватывает один или часть каскадов усиления, такую связь называют местной. Если же контур обратной связи соединяет выход многокаскадного усилителя со входом, такая обратная связь называется общей. Глубокая обратная связь позволяет получить небольшие значения нелинейных искажений, но звучание усилителя при этом часто ухудшается.

Обратную связь (ОС) называют отрицательной, если ее сигнал вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным. При отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается, а при положительной - увеличивается. Из-за схемных особенностей усилителя в цепи ОС возможны варианты, когда ОС существует только для медленно изменяющегося сигнала, либо только для переменной составляющей его, либо всего сигнала. В этих случаях говорят, что обратная связь осуществлена по постоянному, по переменному, а так же как по постоянному, так и по переменному токам. В зависимости от способа получения сигнала различают обратную вязь по напряжению, когда снимаемый сигнал ОС пропорционален напряжению выходной цепи; обратную связь по току, когда снимаемый сигнал ОС пропорционален току выходной цепи; комбинированную ОС, когда снимаемый сигнал пропорционален как и напряжению, так и току выходной цепи.

Классификация усилителей

По характеру усиливаемых сигналов электронные усилители разделяют на усилители аналоговых и импульсных сигналов. Усилители аналоговых сигналов предназначены для усиления сигналов, изменения параметров которых происходят значительно медленнее длительности переходных процессов в схеме усилителя. В усилителях импульсных сигналов как периодических, так и непериодических, длительность переходных процессов сравнима длительностью входных импульсов.

По диапазону усиливаемых частот электронные усилители делят: усилители постоянного и переменного токов. Усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся сигналов, усиливают электрические колебания от низшей частоты fH = 0. Усилители переменного тока усиливают электрические колебания от низшей частоты fH > 0 до верхней частоты fB (fH « f « fB).

По абсолютным значениям частот fH и fB ycилители переменного тока подразделяют на усилители низкой частоты (УНЧ) и усилители высокой частоты (УВЧ), а среди них выделяют узкополосные и широкополосные усилители.

По виду соединительных цепей усилительных каскадов различают усилители с непосредственной (гальванической) связью, с RC-связью и трансформаторной связью между каскадами.

Основные показатели усилителей.

Усилители имеют показатели, характеризующие их свойства. К таким показателям относятся:

Коэффициент усиления.

Диапазон частот входного сигнала.

Выходная мощность.

Коэффициент полезного действия.

Чувствительность.

Собственные помехи.

. Коэффициент усиления.

Коэффициент усиления усилителя может быть по напряжению Кu, по току Ki, по мощности Kp.

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение, ток или мощность на выходе усилителя больше соответствующих значений на его входе. Коэффициент усиления может быть выражен в отвлеченных или в логарифмических единицах.

В отвлеченных единицах:

Ku=Uвых/Uвх Ki=Iвых/Iвх Kp=Pвых/Pвх

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

. Диапазон частот входного сигнала.

Диапазон частот входного сигнала зависит от назначения усилителя. Узкополосные усилители обычно предназначаются для усиления гармонических сигналов с частотным спектром от десятков герц до 10-15 кГц.

Широкополосные усилители предназначаются для более широкой полосы частот, например, от десятков герц до нескольких мегагерц. Это объясняется тем, что в большинстве случаев широкополосные усилители усиливают импульсные сигналы, которые можно представить в виде суммы гармонических составляющих. Спектральный состав импульсов зависит от формы и длительности импульсов. Спектр импульсов безграничен, но с увеличением номера гармоник их амплитуда убывает. Для практического воспроизведения формы импульсов можно ограничится лишь частью спектра. Так, для прямоугольного импульса за ширину полосы входного сигнала принимают полосу частот П, определяемую выражением:

П=2/tи , где tи- длительность импульса.

.Выходная мощность.

Выходная мощность Рвых есть мощность тока низкой частоты в выходном нагрузочном сопротивлении усилителя. В маломощных усилителях Рвых составляет доли ватта, в усилителях средней мощности единицы или десятки ватт, а усилители большой мощности имеют выходную мощность порядка сотен ватт и более. Она всегда указывается для нормальной работы усилителя, т. е. когда на вход подается нормальное напряжение.

Усилитель может давать мощность больше нормальной, т. е. работать с перегрузкой. При этом увеличиваются искажения и, кроме того, повышенные переменные напряжения в последней ступени могут вызвать аварии (пробивание конденсаторов или изоляции в трансформаторах, выход из строя ламп или транзисторов и т.д.).

4. Коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя представляет собой отношение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой усилителем от источников питания.

Для ламповых усилителей КПД может определятся с учетом и без учета мощности, потребляемой цепями накала. Наиболее часто КПД усилителя рассчитывается без учета мощности, потребляемой цепями накала Рн, так как это дает возможность сравнивать экономичность работы ламп и транзисторов при различных электрических режимах работы.

.Чувствительность.

Чувствительность усилителя характеризуется наименьшей величиной напряжения или тока входного сигнала при постоянной его частоте, при которой на выходе усилителя создается номинальная мощность или заданное напряжение. Чувствительность усилителя можно определить по амплитудной характеристике, показывающей зависимость выходного напряжения от входного.

.Собственные помехи.

Основными составляющими собственных помех усилителя являются: наводки и фон, помехи от микрофонного эффекта, тепловые шумы, шумы усилительных элементов.

Блок-схема усилителя.

В большинстве случаев усиление одного усилительного элемента бывает недостаточно, и в усилителе применяют несколько таких элементов, которые включаются так, чтобы электрические колебания, усиленные первым элементом, подводились ко второму, затем к третьему и т.д., т.е. чтобы сигнал усиливался отдельными ступенями. Часть схемы усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется усилительной ступенью или усилительным каскадом.

Для наглядного изображения устройство усилителя применяют блок-схему, на которой прямоугольниками обозначают основные части (узлы) усилителя (схема 1).

Схема 1 - Блок-схема усилителя

Рассмотрим название отдельных частей (узлов) схемы. Источником сигнала может являться любой источник тока, например, микрофон, звукосниматель, фотоэлемент и др. Предварительный усилитель усиливает напряжение, ток или мощность входного сигнала до необходимой величины, при которой будет нормально работать оконечный каскад усилителя. Предварительный усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов предварительный усиления, количество которых будет определятся необходимым усилением сигнала. Если напряжение, ток или мощность, отдаваемые источником сигнала, достаточны для нормальной работы оконечного каскада, предварительный усилитель в составе усилителя не нужен. В каскадах предварительного усиления обычно применяются маломощные ламповые триоды и пентоды, а также транзисторы малой мощности.

Оконечный каскад усилителя предназначен для передачи в нагрузку заданной мощности или заданного напряжения сигнала. Нагрузкой усилителя в зависимости от его назначения может быть громкоговоритель, электроннолучевая трубка, реле или другие исполнительные устройства. В оконечном каскаде усилителя применяются так называемые выходные лампы - триоды и пентоды, рассчитанные на получение нужной выходной мощности или напряжения, а также транзисторы средней и большой мощности.

Назначение усилителя - преобразование маломощного электрического сигнала, поступающего от источника, в мощный, способный идеально управлять электроакустическими преобразователями - громкоговорителями или наушниками - без каких-либо нежелательных влияний на исходный сигнал, т.е. без его искажения.

Исходные данные:нm = 19,5 (В) - амплитуда напряжения на нагрузке;н = 91 (Вт) - мощность на нагрузке;н = 2.09 (Ом) - сопротивление нагрузки;нm = 9.33 (А) - амплитуда тока на нагрузке;вхm = 109 (мВ) - амплитуда входного напряжения;н = 74 (Гц) - низшая частота усиливаемых сигналов;в = 37 (кГц) - высшая частота усиливаемых сигналов.

Статья в тему

Внедрение и использование GPS-трекеров в среде предприятия
Трекер - устройство приёма-передачи-записи данных для спутникового мониторинга автомобилей, людей или других объектов, к которым оно прикрепляется, использующее Global Positioning System для точного определения местонахождения обьекта. Сферы применения GPS-мониторинга транспорта: скорая ...

Главные разделы