2.4. Усилитель
Усилителем называется устройство, имеющее входные и выходные зажимы (полюсы), а также зажимы подключения к источнику питания и обладающее тем свойством, что под управлением входного колебания малой мощности он регулирует передачу энергии от источника питания в нагрузку так, что на нагрузке получается колебание той же формы, что и входное, но, как правило, большей мощности. Таким образом, усилитель всегда является усилителем мощности колебания, поданного на его вход.
Эта особенность усилителя принципиально отличает его от многих других устройств, способных увеличивать амплитудные параметры воздействующих на них колебаний. К числу таких устройств относится, например, трансформатор напряжения. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора (то есть выходное напряжение) может быть больше напряжения на первичной обмотке (входного напряжения). Но, в отличие от усилителей, мощность, выделяющаяся в нагрузке трансформатора, всегда меньше мощности, подводимой к его входу.
На рис. 2.9 прямоугольниками условно показаны усилитель, источник усиливаемого колебания, нагрузка и источник питания.
Для упрощения дальнейших рассуждений предположим, что усилитель предназначен для усиления постоянных напряжений, то есть является так называемым усилителем постоянного тока (УПТ), и справедливо условие: при входном (усиливаемом) напряжении, равном нулю, выходное (усиленное) напряжение тоже равно нулю.
Рис. 2.9
Используем следующие обозначения:
– постоянное напряжение на входе усилителя (усиливаемое напряжение);
– постоянный
ток во входной цепи усилителя (входной
ток);
– постоянное напряжение на нагрузке (усиленное напряжение);
– постоянный
ток в нагрузке (выходной ток);
– постоянное
напряжение источника питания;
– постоянный
ток, вытекающий из источника питания.
После
введения этих обозначений можно написать
формулы для нахождения мощности
,
поступающей во входную цепь усилителя,
мощности
,
выделяющейся в нагрузке, и мощности
,
потребляемой усилителем от источника
питания:
-
;
;
.(2.10)
В
измерительных приборах часто используют
такие усилители, у которых коэффициент
усиления напряжения
является константой, то есть не зависит
от величины входного и выходного
напряжений. В этом случае также константами
являются: коэффициент усиления тока
,
коэффициент усиления мощности
,
коэффициент
полезного действия
.
Подставляя в выражение для коэффициента
усиления мощности
выражения для
и
,
получаем:
-
.(2.11)
С небольшими изменениями формулы, аналогичные (2.10) и (2.11), можно написать и для усилителей, усиливающих гармонические напряжения (токи):
|
, |
;
;
;
;
;где
,
– амплитуды
гармонического напряжения и тока на
входе усилителя,
,
–
амплитуды гармонического напряжения
и тока на выходе усилителя.
В зависимости от назначения к усилителям предъявляются различные требования по их коэффициентам усиления.
Например,
от усилителя, нагрузкой которого является
громкоговоритель или акустическая
система, требуются большие коэффициенты
усиления и напряжения (
)
и тока (
),
и его в полной мере можно назвать
усилителем мощности.
От предварительного усилителя выходных колебаний магнитного звукоснимателя проигрывателя требуется, в основном, усиление по напряжению. Такой усилитель условно называют усилителем напряжения.
Часто применяются и так называемые усилители тока. Характерным примером их является усилитель, называемый повторителем напряжения: у него коэффициент усиления напряжения может быть даже несколько меньше единицы, но коэффициент усиления тока много больше единицы.
В измерительных приборах применяются все перечисленные типы усилителей, но в дальнейшем их особенности подчеркиваться не будут, если это не будет непосредственно связано с принципом действия измерительного прибора.
Теоретически форма усиленного колебания на выходе усилителя не должна отличаться от формы входного усиливаемого колебания. Однако на практике это не так: любой усилитель в большей или меньшей мере искажает форму усиливаемого колебания. Допускаемая степень искажения формы колебания в усилителе определяется назначением усилителя.
К усилителям в измерительных приборах предъявляются обычно высокие требования по степени совпадения форм выходного и входного колебаний. Это, например, относится к усилителям исследуемого напряжения в осциллографах.
Одним из условий неискаженного усиления колебания является постоянство коэффициента усиления усилителя во всей полосе возможных частот усиливаемого колебания. Диапазон частот входного гармонического колебания, в котором коэффициент усиления усилителя практически постоянен (то есть его изменение не превышает заданной величины) называется полосой пропускания усилителя. Требования к ней определяются назначением усилителя.
Например, в вольтметрах переменного тока применяются усилители измеряемого напряжения, полоса пропускания которых простирается от единиц герц до единиц (и даже десятков) мегагерц. В осциллографах усилители исследуемого напряжения обычно имеют полосу пропускания от нуля до десятков и сотен мегагерц и даже до единиц гигагерц.
Для анализа процессов, происходящих при усилении постоянного напряжения или гармонического колебания, необходимо ознакомиться с работой ВП «23 Усилитель.ехе», лицевая панель которого приведена на рис. 2.10.
Упражнение 2.3. Запустите пример-программу «23 Усилитель.exe» и проведите следующие исследования.
1. С
помощью регуляторов установите напряжение
генератора
=
1 В, входное сопротивление усилителя
=
1 кОм. Изменяя выходное напряжение
генератора в допустимых пределах,
понаблюдайте за изменением выходного
тока генератора
,
значение которого определяется током
через входное сопротивление усилителя
(очевидно, что
=
).
Обратите внимание на изменение выходной
мощности генератора
.
2. Установите напряжение генератора = 20 В и, увеличивая входное сопротивление усилителя , пронаблюдайте за изменением тока генератора = . Обратите внимание на уменьшение выходной мощности генератора при увеличении входного сопротивления усилителя.
Рис. 2.10
3. Изменяя
коэффициент усиления по напряжению
,
пронаблюдайте за изменением напряжения
на нагрузке
.
Обратите внимание на то, что одновременно
с изменением
изменяется ток в
нагрузке
(
– сопротивление
нагрузки усилителя)
и, следовательно, изменяется и коэффициент
усиления по току
.
Коэффициент усиления по мощности
определяется соотношениями
.
4. Пронаблюдайте уменьшение коэффициента усиления по току (и по мощности) при уменьшении входного сопротивления усилителя. Сделайте выводы по результатам наблюдений.
5. Проведите наблюдение за изменением напряжения, тока и мощности в нагрузке при изменении сопротивления нагрузки . Обратите внимание на то, что с ростом сопротивления нагрузки выходное напряжение остается постоянным, а ток нагрузки уменьшается, что приводит к уменьшению выходной мощности, к уменьшению коэффициента усиления по току и к уменьшению коэффициента усиления по мощности.
6. Ответьте на следующие вопросы.
Как изменится коэффициент передачи по мощности усилителя (см. рис. 2.10), если:
- уменьшить входное сопротивление усилителя?
- увеличить сопротивление нагрузки на выходе усилителя?
- уменьшить выходное напряжение генератора?
- уменьшить коэффициент передачи усилителя по напряжению?
Как изменится коэффициент передачи по току усилителя (см. рис. 2.10), если:
- уменьшить входное сопротивление усилителя?
- увеличить сопротивление нагрузки на выходе усилителя?
- увеличить выходное напряжение генератора?
- увеличить коэффициент передачи усилителя по напряжению?
Как изменится мощность, потребляемая усилителем (см. рис. 2.10) от источника питания, если уменьшить КПД усилителя при неизменной мощности в нагрузке?
Запишите соотношения между мощностью на входе усилителя, мощностью на выходе усилителя и мощностью, потребляемой усилителем от источника питания.
7. Остановите выполнение программы нажатием на кнопку СТОП. Закройте ВП.