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 i_a — анодный ток, а напряжение и₁ равно напряжению на сетке и_с, то коэффициент усиления по напряжению в рассматриваемом случае будет

(V.1)

где S — динамическая крутизна характеристики лампы.

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

(V.2)

где ; R_i— внутреннее сопротивление лампы.

Ламповые, тиратронные и полупроводниковые усилители Таблица V.1

№ по пор.	Тип усилителя	Упрощенная схема	Назначение
1	Однотактный усилитель постоянного тока		Усилитель напряжения, мощности
2	Катодный повторитель		Усилитель мощности для согласования с низкоомными нагрузками
3	Двухтактный усилитель постоянного тока		Усилитель напряжения
4	Двухтактный усилитель переменного тока		Усилитель мощности
5	Фазочуствительный усилитель		Усилитель напряжения переменного тока

№ по пор.	Тип усилителя	Упрощенная схема	Назначение
6	Тиратронный усилитель		Усилитель мощности
7	Усилительный каскад с общим эмиттером		Усилитель напряжения
8	Двухтактный транзисторный каскад		Усилитель напряжения, мощности
9	Усилительный каскад с общим коллектором		Для согласования схем с низкоомной нагрузкой
10	Двухкаскадный усилитель		Усилитель постоянного тока

№ по пор.	Тип усилителя	Упрощенная схема	Назначение
11	Фазочуствительный каскад на транзисторе		Усилитель напряжения переменного тока
12	Усилительный каскад с делителем напряжения в цепи базы
13	Усилительный каскад с отрицательной обратной связью
14	Усилительный каскад с двумя источниками питания

Из формулы (V.2) видно, что коэффициент усиления по напряжению тем больше, чем больше крутизна характеристики S₀ и чем больше сопро­тивление R_a. 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 2• 10⁶, т. е. при входной мощности около 10^-3 Вт 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^-6 с, а время гашения 10^-4 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 3 кВт 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

(V.3)

где R_н — сопротивление нагрузки; R_r — сопротивление генератора; R_вх = r_δ+ (1 + β) r_э — 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 R_H может быть найден по формуле

(V.4)

Как видно из формулы (V.4), коэффициент k_u 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:

; (V.5)

При R_ki <<R_вх1 , где i = 1, 2, имеем

(V.6)

Так как в рассматриваемой схеме β>> 1, то

(V.7)

На практике для схемы 10 можно получать значения k_u, 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 литания 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 АВ. Схема фазочувствительного каскада на транзисторе показана в табл. V.1 (схема 11).