Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1
Изучение магнитного усилителя
1. Цель работы
Целью лабораторной работы является ознакомление с разновидностями и назначением усилителей, конструкцией, принципом действия и характеристиками магнитного усилителя.
2. Краткие теоретические сведения
Назначение усилителей напрямую вытекает из самого названия. Все существующие разновидности усилителей предназначены для усиления сигналов имеющих различную физическую природу.
Усилители классифицируются по различным признакам: в зависимости от принципа действия, физической природы усиливаемого сигнала, мощности, частотного диапазона, уровня собственных шумов, линейности характеристик, элементной базы и т. д.
В зависимости от физической природы усиливаемого сигнала наибольшее распространение получили усилители электрических сигналов (тока, напряжения, мощности) и усилители механической силы.
В
зависимости от принципа действия
можно выделить усилители на электронных
лампах, полупроводниковые, электромашинные,
магнитные (все они усиливают
электрические сигналы), гидравлические
электрические и пневматические
усилители (используются для усиления
механической силы в системах рулевого
управления автомобилей и тормозах
железнодорожного подвижного состава).
В зависимости от элементной базы полупроводниковые усилители могут быть выполнены как на отдельных дискретных элементах (диодах, транзисторах, резисторах и емкостях), так и на интегральных микросхемах.
Усилители электрических сигналов в зависимости от частоты делятся на низкочастотные, работающие в диапазоне 20 – 20 000 Герц (Гц) и использующиеся в звуковоспроизводящих устройствах, средне и высокочастотные, работающие в диапазоне 150 000 – 800 000 000 Гц (150 кГц – 800 МГц) в различных диапазонах радиосвязи, радио и телевизионного вещания и сверхвысокочастотные, работающие в диапазоне 1 000 000 000 – 10 000 000 000 Гц (1 – 10 ГГц) и выше в системах спутникового телевидения.
О
бщее
обозначение усилителей показано на
рис. 1. Основным параметром усилителя
является коэффициент усиления:
К
=
, (1)
В практических расчетах используется несколько иная формула, в которой бесконечно малые приращения входного и выходного сигналов ∂X и ∂Y заменены на их конкретные значения ΔX и ΔY :
К
=
. (2)
Выходная характеристика усилителя, связывающая между собой параметры Y и Х показана на графике, рис. 2. На графике можно выделить четыре характерные зоны. Участок «0-1» показывает собственные шумы усилителя (наличие относительно небольшого выходного сигнала Y при отсутствии входного сигнала X). Уровень (коэффициент, интенсивность) шумов оценивается в дециБеллах (dB) и определяется по формуле
I
= 20 log
,
(3)
где Uш – сигнал шумов усилителя, В;
Uном.вых – выходной сигнал усилителя, соответствующий его номинальной мощности, В.
Наиболее качественные усилители, использующиеся для усиления электрических сигналов звуковой частоты в быту и на концертных площадках, имеют уровень шумов в пределах от минус 80 до минус 100 dB. То есть у них сигнал шумов меньше номинального выходного сигнала в 10 000 – 100 000 раз.
Участок «1-2» характеризует зону, в которой выходной сигнал Y прямо пропорционален входному сигналу Х и имеет линейную зависимость от него. В этой зоне коэффициент усиления, с небольшой погрешностью, вызванной собственными шумами усилителя, можно определить по формуле
К
=
.
(4)
На участке «2-3» линейность зависимости между выходным и входным сигналами нарушается, то есть при неизменном шаге увеличения входного сигнала ΔX значение шага увеличения выходного сигнала ΔY с каждым разом становится все меньше и меньше (коэффициент усиления в соответствии с формулой ( 2 ) на этом участке уменьшается). Причина этого, в том, что усилительные свойства исчерпываются из-за ряда обстоятельств (ограниченная мощность источника питания, переход отдельных элементов усилителя в насыщенное состояние и др.). Это зона, в которой появляются нелинейные искажения в работе усилителя. В конце этой зоны находится точка «3». Особенность этой точки в том, что в ней коэффициент усиления достигает своего предельного значения, К = 1 (меньшее значение коэффициента усиления соответствует не усилению, а ослаблению сигнала). Положение этой точки легко определить, проведя к рассматриваемой зависимости Y = f (X) касательную под углом 450. Если в этой точке построить прямоугольный треугольник, катеты которого соответствуют значениям ΔX и ΔY, то они будут равны между собой, ΔY = ΔX. При этом их отношение, т.е. коэффициент усиления будет равен 1.
Правее точки «3» располагается зона насыщения усилителя, в которой коэффициент усиления меньше 1. В этой зоне увеличение входного сигнала X перестает вызывать увеличение сигнала на выходе усилителя Y и усилитель прекращает выполнять свои функции.
Нормальная эксплуатация усилителя возможна только на участке его линейной характеристики 1 - 2.