E. Сглаживающие фильтры

Графики выпрямленного напряжения и тока показывают, что выпрямители дают эти величины постоянными по направлению, но изменяющимися по величине. Однако для питания целого ряда уст­ройств, главным образом электронных, нужны напряжение и ток, постоянные по величине, поэтому пульсации выпрямленного тока и напряжения необходимо уменьшить или, как говорят, сгладить.

Простейшим способом сглаживания пульсаций является под­ключение конденсатора постоянной емкости параллельно сопротив­лению нагрузки (рис. 29, а).

Рис. 29. Сглаживание пульсаций:

а — схема включения конденсатора; б — график напряжения, выпрямленного без фильтра; в — график напряжения на выходе выпрямителя с фильтром.

 

Из графика выпрямленного напряжения на выходе двухполу-периодного выпрямителя (рис. 29, б) видно, что в моменты времени t₁, t₂, t₃ напряжение на нагрузке падает до нуля. Если подключить конденсатор, то в течение первой четверти периода он зарядится и на­пряжение на его обкладках станет равным напряжению на нагрузке. Следующую четверть периода напряжение на зажимах нагрузки начинает уменьшаться, стремясь к нулю, но в это время конденсатор, разряжаясь, поддерживает напряжение на нагрузке. В результате действия конденсатора напряжение не падает до нуля и пульсации выпрямленного тока значительно сглаживаются (рис. 29, в).

Включение одиночного конденсатора в ряде случаев недостаточно, поэтому для более совершенного сглаживания применяются сгла­живающие фильтры, состоящие из емкостей и индуктивностей.

Однозвенный сглаживающий фильтр (рис. 30, а) состоит из двух конденсаторов и дросселя L. Конденсаторы должны иметь ем­кость в несколько десятков микрофарад. Благодаря наличию магнитопровода дроссель имеет большую индуктивность и поэтому создает значительный запас энергии в виде магнитного поля. При работе выпрямителя дроссель, включенный последовательно с нагрузкой, уменьшает колебания выпрямленного тока. У дросселей, применяемых в фильтрах выпрямителей в радиоэлектронных схемах, активное сопротивление, а следовательно, и падение напряжения незначительны, поэтому фильтры с дросселями устанавливаются в устройствах, потребляющих значительные токи (десятки и сотни миллиампер).

Рис. 30. Схемы сглаживания фильтров:

а -с индуктивностью; б — упрощенного.

 

Схема упрощенного фильтра (рис. 30, 6) состоит из двух конден­саторов и резистора г величиной в несколько десятков килоом. Такая схема применяется в устройствах, потребляющих сравнитель­но небольшие токи.

Если требуется после выпрямителя получить постоянный ток с очень незначительными пульсациями, применяются многозвен­ные фильтры.

УСИЛИТЕЛИ

A. Общие сведения

Усилителем называют устройство, вкотором незначительное изменение «входной» величины вызывает значительное изменение той же величины на «выходе» этого устройства. ⁹ Усилители предназначены для усиления электрических коле­баний и применяются в устройствах радиовещания, телевидения, радиотелеграфии, в схемах автоматики, телемеханики и др.

В зависимости от применяемых усилительных элементов раз­личаются ламповые и транзисторные усилители. По назначению усилители делятся на усилители напряжения и усилители мощности. Усилители напряжения дают возможность увеличить напряжение слабых сигналов, снимаемых с микрофонов, звукоснимателей, фотоэлементов и т. д. Усилители мощности пред­назначены для получения электрических сигналов большой мощ­ности, для приведения в действие громкоговорителей, реле и ряда исполнительных механизмов в устройствах автоматики. Основными показателями, характеризующими работу усилителей, являются коэффициент усиления, номинальная выходная мощность, чувствительность, КПД, полоса пропускания и, наконец, искажения,, вносимые усилителем.

Коэффициент усиления К дает возможность судить об усилитель­ных свойствах усилителя и показывает, во сколько раз напряжение на выходе U _вых больше напряжения на входе U_BX. Величину коэф­фициента, усиления подсчитывают по формуле

.

 Номинальная выходная мощность — это наибольшая мощность, которую способен отдать усилитель при допустимом уровне иска­жения сигнала. Она измеряется в ваттах.

Чувствительность усилителя выражает наименьшее значение напряжения, которое следует подать на вход усилителя, чтобы на его выходе получить номинальное значение выходной мощности.

Коэффициент полезного действия усилителя определяется как отношение полезной мощности Р₂, снятой с усилителя, к полной мощ­ности Р₁ получаемой усилителем от источников питания:

.

Полоса пропускания — это область частот, в пределах которой коэффициент усиления изменяется не более, чем допустимо по заданным техническим условиям (12÷30%). Например, для высокока­чественного воспроизведения музыкальных радиопередач усилители должны пропускать полосу частот примерно от 40 до 12 000 Гц. Для различных технических целей усилители могут иметь более уз­кую полосу пропускания, при этом упрощаются их схемы, уменьша­ются габариты и стоимость.

Искажения, вносимые усилителем, дают возможность судить о способности усилителя дать сигнал на выходе, напряжение кото­рого по форме не отличается от напряжения сигнала на входе. Раз­личаются три вида искажений, вносимых усилителем при его ра­боте,— частотные, фазовые и нелинейные.

Частотные искажения возникают в усилителях из-за того, что одни частоты в усилителе усиливаются в большей мере, чем другие. В схемах усилителей применяются емкости и индуктивности, кото­рые вызывают ослабление усиления на краях спектра частот, под­лежащего усилению.

Фазовые искажения также вызываются реактивными элементами схемы усиления. Сущность их в том, что напряжение на выходе усилителя оказывается сдвинутым по фазе относительно напряжения на входе. Человеческое ухо не воспринимает фазовые искажения, и для усилителей низкой частоты они во внимание не принимаются. Если же усилители используются в измерительных устройствах или для усиления телевизионных сигналов, то фазовые искажения вызывают погрешности в измерениях или ухудшают качество изо­бражения.

Нелинейные искажения вызываются двумя причинами: тем, во-первых, что характеристики электронных ламп непрямолинейны, и, во-вторых, наличием в усилителях трансформаторов, которые вы­зывают изменение формы кривой выходного напряжения.

Очень часто один усилительный элемент (лампа или транзистор) не в состоянии обеспечить требуемое усиление. В таких случаях усилитель составляется из нескольких усилительных элементов, которые вместе с деталями, обеспечивающими определенный режим работы, называются каскадами усилителя. Таким образом, все уси­лители можно подразделить на одно- и многокаскадные. Если из­вестен коэффициент усиления каждого каскада, то легко определить коэффициент усиления усилителя:

К = K₁K₂K_a... К_п.

B. Классы усиления

В зависимости от назначения усилителя и режимов работающих в нем ламп различают три основных класса усиления — А, В и С.

При работе лампы в режиме класса А (рис. 31, а) весь период поданного на сетку напряжения укладывается на прямолинейном участке анодно-сеточной характеристики, который находится в об­ласти отрицательных сеточных напряжений. Режим класса А отличается отсутствием нелинейных искажений, поэтому он применяет­ся для усилителей, обеспечивающих высокое качество радиопередач и точность измерительных устройств. Следует отметить, что усилите­ли класса А имеют низкий КПД — около 0,1,

Рис. 31. Классы усиления: а —режим класса А; б —режим класса В; в — режим класса С.

В режиме класса В на отрицательном прямолинейном отрезке характеристики лампы укладывается только один полупериод на­пряжения, поданного на управляющую сетку лампы (рис. 31, б). При работе лампы в этом режиме усиливается только положитель­ный полупериод сеточного напряжения, а во время отрицательного полупериода лампа оказывается запертой и ток через нее не течет. Этот режим применяется для мощных двухтактных усилителей КПД схемы усиления и составляет 0,6—0,65. При работе усилителя нелинейные искажения находятся в пределах допустимого.

В режиме класса С на отрицательном прямолинейном участке характеристики лампы умещается только часть положительного се­точного напряжения (рис. 31, в). В этом режиме нелинейные иска­жения очень велики, но КПД усилителя составляет 0,7—0,85.