Возможности и применение

Изобретение первых светодиодов - полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку - относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе - мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, - оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

26. Устройства, в которых колебания возникают без дополнительных внешних воздействий, называются автогенераторами, или генераторами с самовозбуждением. Автогенераторы, генерирующие высокочастотные (ВЧ) колебания, обычно строятся с применением элементов, использующих явление резонанса в колебательном контуре (LC-гене-раторы), либо в пьезоэлектрическом резонаторе. Автогенераторы низкочастотных (НЧ) колебаний (десятки кГц) строятся на основе резсторноемкостных схем (RC-генераторы).

 

Принцип работы lc-генераторов

 

LC-генераторы – это генераторы с индуктивной обратной связью. Принцип автогенератора можно понять, если представить себе, что в рассмотренном ранее резонансном усилителе электрические колебания поступают на вход не от внешнего источника, а с выхода этого же усилителя через цепь обратной связи. Если на схему подано напряжение питания, то в коллекторной (стоковой) цепи протекает ток, который содержит как постоянную, так и флуктуирующую составляющие. С чем связано появление флуктуирующей составляющей? Электрические заряды в цепи имеются в определенном количестве. Причем в любой цепи реальное количество носителей заряда постоянно меняется. Амплитудный спектр флуктуирующего сигнала равномерен вплоть до частот 1012 Гц. В спектре флуктуаций всегда найдется составляющая, частота которой близка к резонансной частоте контура, включенного в выходную цепь транзистора. За счет избирательных свойств контура эта спектральная составляющая будет выделена, а через цепь ОС поступит на вход усилителя.

Колебание, поступившее на вход, будет усиленно, как в обычном усилителе. В дальнейшем произойдет нарастание сигнала. Что для этого необходимо?

Для этого необходимо выполнить следующие условия:

      обратная связь (ОС) между входом и выходом должна быть положительной (это фазовое условие самовозбуждения);

      коэффициент усиления (Кус) должен превышать определенное значение (амплитудное условие самовозбуждения).

Если в схеме возникают колебания, их амплитуда возрастает до определенного значения (режим нарастания амплитуды), называемого переходным, а режим генератора, при котором амплитуда постоянна, - стационарным.

Более подробно рассмотрим работу автогенератора на примере LC-генератора.

RC- генераторы

 

Когда необходимо получить гармонические колебания на частотах от доли Гц до 10...100 кГц, использование LC-генератора становится не целесообразным (размеры контура очень большие). Схема генератора остается прежней, однако, вместо колебательного контура в выходной цепи ЭП используется чисто активная нагрузка.

Баланс фаз обеспечивается фазовым сдвигом в цепи ОС, использующие RC-элемент. Чтобы условие самовозбуждения выполнялось, цепь ОС должна обладать избирательностью. Баланс амплитуд требует строгого выполнения условия   , в противном случае амплитуда будет не стабильна. На основе RC-элемента можно создать пассивные полосовые фильтры с характеристиками, подобными колебательному контуру (рисунок 18.9).

 

При отклонении от резонансной частоты f₀ фазовый сдвиг изменяется, и коэффициент передачи уменьшается. Ниже частоты f₀ проявляется действие возрастающего сопротивления конденсатора, включенного последовательно с R. Выше частотыf₀ проявляется шунтирующее действие конденсатора, включенного параллельно R. Такой фильтр можно использовать в качестве нагрузки вместо LC-контура (но его добротность мала, что приводит к малой стабильности рабочей частоты). Гораздо большую добротность можно получить, если использовать полосовой заграждающий фильтр - мост Вина (рисунок 18.10). Сопротивления R1 и R2 моста находятся в соотношении R1=2R2. Напряжение Uмд снимается с диагонали моста, учитывая, что R1=2R2, независимо от частоты сигнала на входе. Uм2=Uм/3, поскольку на частоте f₀ Uм1=Uм/3. Следовательно, на данной частоте Uмд=Uм1-Uм2=0. При отклонениях от f₀ выходное напряжение растет и при больших расстройках стремится к Uмд=-Uм2=-Uм/3. В качестве активных элементов используются ОУ (рисунок 18.11).  Диагональ моста подключается к входу ОУ. Для генерации обеспечивается ПОС на частоте f₀, но если R2=R1/2, то на частоте f₀ Uд=0 и обратная связь отсутствует. По этой причине мост немного расстраивают, выбирая R2=R1/(2+δ), где 0<δ≈1. В этом случае на резонансной частоте: Uмд=Uм1-Uм2=Uм/3-Uм/(3+δ)≈δUм/9, то есть напряжение,  подаваемое на неинвертирующий вход, больше, чем напряжение, подаваемое на инвертирующий вход. Uос на входе совпадает по фазе с напряжением на выходе генератора (моста Вина). Таким образом, выполняется баланс фаз Кос=Uмд/Uм=δ/9, то есть обеспечивается К=1/Кос=9/δ.

 

27.

Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подве­денного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо­угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, опреде­ляющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону со­хранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источ­ник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. - Обобщенная структурная схема усилителя

    Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу ко­торого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро - необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р_вх выходная мощность Р_вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р_вх < Р_вых < Ро. Следова­тельно, усилитель - это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполяр­ных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.

    Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве слу­чаев одного элемента недостаточно и в усилителе при­меняют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом. Усилитель состоит из активных и пассивных элемен­тов: к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляюще­го сигнала на входных электродах. Пассивными эле­ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необхо­димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па­раметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально не­обходимого набора активных и пассивных элементов.

    Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.

Рисунок 2. - Схема многокаскадного усилителя

    Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощно­сти (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления оп­ределяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необ­ходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.

    Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

    Источни­ками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, счи­тывающие головки магнитных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических парамет­ров в электрические.

    Нагрузкой являются громкоговорители, электриче­ские двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод­ных цепях ламп; используется для поддержания задан­ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.