Теория:понемногу обо всем

Журнал "Радио", номер 10, 1999г.
Автор:В. Поляков, г. Москва

Продолжение. Начало см. в "Радио",1999,#9 "Радио",1999,#8 "Радио",1999,#6 "Радио",1999,#4 "Радио",1999,#3 "Радио",1999,#2 "Радио",1999,#1

    5. Усилители электрических сигналов

    5.1. Общие принципы усиления

    В современной радиотехнике и автоматике очень широко используются усилители сигналов. Чтобы подвести слабенький звуковой сигнал от микрофона или звукоснимателя к громкоговорителю или акустической системе, его нужно усилить. Прежде чем продетектировать высокочастотный сигнал дальней радиостанции, принятый на небольшую антенну, его также надо усилить... Подобные примеры можно приводить долго. Откуда же берется большая энергия усиленного сигнала? По закону сохранения энергии она не может появиться сама собой, нужен источник энергии, или источник питания усилителя.

    Думали ли вы когда-нибудь, что, открывая водопроводный кран, наглядно демонстрируете принцип усиления сигналов? Ведь энергия, затраченная на поворот ручки крана, несравненно меньше энергии струи воды. А представьте, что вы открываете шлюз плотины электростанции! Затратив совсем немного энергии, вы позволяете турбинам выработать тысячи киловатт-часов. Источник - водопроводная сеть или водохранилище, а управляющий элемент - кран или шлюз.

    На выходе усилителя (см. структурную схему на рис. 25) включена нагрузка, потребляющая выработанную энергию. Это может быть громкоговоритель, электродвигатель, кинескоп или отклоняющая система телевизора. Источником питания чаще всего служит источник постоянного тока, хотя некоторые усилители (параметрические, магнитные) работают на переменном токе.

    Простейшим усилителем можно считать реле К1 (рис. 26). Такие усилители широко использовались на линиях телеграфной связи еще в прошлом веке. Управляющим был слабый телеграфный сигнал, прошедший многокилометровую линию. Его мощности хватало только на то, чтобы притянуть якорь чувствительного реле. Контакты же реле К1.1 могли коммутировать гораздо большую мощность. Она поступала от батареи GB1. Усиленные телеграфные сигналы (есть ток - посылка, нет - пауза), точки и тире азбуки Морзе поступали либо в следующий пролет линии, либо приводили в действие печатающий аппарат.

    Релейный усилитель мог иметь огромный "коэффициент усиления" мощности, обеспечивал гальваническую развязку входа и выхода, но... у него было ограниченное быстродействие и он не мог усиливать аналоговые, т. е. плавно изменяющиеся сигналы. А ведь именно таковы звуковые, телефонные сигналы. Для их усиления нужны были другие регуляторы, или управляющие элементы. К рассказу о них мы и переходим.

    5.2. Усилительные элементы. Радиолампа

    Первый такой элемент - трехэлектродную радиолампу или триод - изобрел в начале нашего века американец Ли де-Форест. Сначала она использовалась для усиления сигналов на длинных междугородных телефонных линиях, затем десятки лет вся радиотехника была ламповой. Любопытно, что в английском языке радиолампа до сих пор иногда называется Electronic Valve, причем слово Valve переводится как кран, вентиль или клапан.

    По конструкции первые триоды были похожи на обычные осветительные лампы накаливания, но кроме нити накала - катода, в вакуумном баллоне находилась металлическая или графитовая пластинка - анод, а между нитью и анодом располагалась металлическая сетка, которая до сих пор так и называется. Накаленная нить испускает электроны, происходит термоэлектронная эмиссия. Ток накала поступает от накальной батареи низкого напряжения (1...2 В) GB1, как показано на рис. 27,а. Анод имеет положительное напряжение, достигающее десятков и сотен вольт, поэтому он притягивает отрицательные электроны, в результате чего возникает анодный ток.

    Анодный ток можно регулировать напряжением на сетке, подобно тому, как водопроводным краном регулируют поток воды. Если сетка имеет нулевое напряжение относительно катода, электроны пролетают сквозь нее свободно. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, электронный поток уменьшается из-за того, что сетка отталкивает электроны, мешая им пролетать к аноду. При достаточном отрицательном напряжении на сетке Uзапанодный ток совсем прекращается. Зависимость анодного тока от напряжения на сетке - характеристика лампы - показана на рис. 27,г. Приращение тока при изменении напряжения сетки на 1 В называется крутизной характеристики S и составляет обычно 1...10 мА/В. От батареи GB2 на сетку подают небольшое (несколько вольт) напряжение смещения Ucм , чтобы вывести лампу на рабочий участок характеристики, а вместе с ним и усиливаемый сигнал.

    Анодный ток Iа будет изменяться в такт с колебаниями входного сигнала (рис. 27,б). Источником энергии служит анодная батарея GB3, последовательно с которой включена нагрузка Rн . Изменяющийся ток создает на нагрузке изменяющееся падение напряжения Uвых (рис. 27,в), которое и является усиленным сигналом, практически точно воспроизводящим входной сигнал. Кроме переменного выходного напряжения, имеется и постоянная составляющая, которая в дальнейшем не используется. Коэффициент усиления по переменному напряжению К=Uвых /Uвх в первом приближении составляет SRн и может достигать десятков и даже сотен. Коэффициент же усиления по мощности неизмеримо больше, поскольку сетка всегда заряжена отрицательно, электроны на нее не попадают, тока в цепи сетки нет и мощность от источника сигнала практически не потребляется. Лишь при заходе в область положительных напряжений на сетке появляется небольшой сеточный ток, но такие режимы используют редко, и только в мощных усилителях.

    Конструкция современных радиоламп проще и компактнее. Лишь в батарейных лампах, практически полностью вышедших из употребления, применялся прямой накал - описанная нить. В сетевых лампах катод представляет собой тонкую трубочку, покрытую составом, хорошо излучающим электроны при нагреве. Внутри катода и находится изолированная от него нить накала, служащая только для подогрева катода. Благодаря большой тепловой инерции нить подогревного катода можно питать и переменным током от понижающей обмотки сетевого трансформатора. Подобным же образом устроены и катоды кинескопов.

    Сетки представляют собой проволочные спирали, навитые вокруг катода на некотором расстоянии от него, а анод - металлический цилиндр, в который и помещена вся конструкция. Дополнительные сетки - экранирующая и антидинатронная - помещаются между управляющей сеткой и анодом, улучшая характеристики лампы, в том числе и на высоких частотах. Наибольшее распространение получила лампа с тремя сетками и, следовательно, пятью электродами - пентод. Пентоды и триоды до сих пор применяются в ламповых усилителях звуковой частоты (например, в УМЗЧ лампово-полупроводниковых телевизоров), в самой высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре класса High End, а также в усилителях мощности радиопередатчиков.

    Лишь в маломощных предварительных усилителях напряжения нагрузкой служит обыкновенный резистор. Недостаток его в том, что постоянная составляющая анодного тока вызывает на нем потерю мощности. В УМЗЧ нагрузкой служит первичная обмотка выходного трансформатора, ко вторичной обмотке которого подключена динамическая головка (или громкоговоритель). Трансформатор понижающий, он рассчитывается так, чтобы сопротивление головки, пересчитанное в первичную обмотку, было оптимальным для данной лампы - обычно оно составляет несколько килоом. Нагрузкой мощных усилителей радиочастотных колебаний (в передатчиках) чаще всего служит колебательный контур.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2018 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.