1.6.3. Генератори напруги та струму

При узгоджені за опорами першого каскаду підсилювача з виходом датчика, вихідних та вхідних опорів багатокаскадних підсилювачів, а також вихідного каскаду з кінцевими пристроями РЕА широко користуються поняттями щодо джерел постійної напруги та струму.

Генератором напруги або генератором електричної рушійної сили (е.р.с.) є джерело постійної або змінної напруги, яке має внутрішній опір R_i= 0. Це ідеальний випадок. Генератори напруги забезпечують постійну напругу на навантаженні за зміною його опору. В реальних схемах для визначення типу генератора користуються значенням співвідношення опорів навантаження (наступного каскаду) та R_i (вихідного опору попереднього каскаду). Для пояснення цього положення та грамотного його використання звернемось до схеми подільника напруги (рис.1.12). Основне завдання генератора напруги - забезпечити постійну напругу на навантажені за зміни струму. Для згаданої схеми можна записати: U_н = Е – I_н = E – I_н R₁ .

В даному випадку R₁ розглядається як внутрішній опір генератора. За умови, коли R1 << R2, тобто R₁ << Rн можна допустити R1= 0, а значить U_н = Е = const. Наприклад, якщо R1 = 1 кОм, а R2 = 100 кОм, маємо генератор постійної напруги. Напруга на навантажені (R2) буде залишатись незмінною (майже незміною) за заміни опору навантаження в межах приблизно від 10 кОм і більше, тому в таких межах з допустимою похибкою джерело можна вважати генератором напруги. Таким чином, генератори напруги мають внутрішній опір значно менший, ніж опір навантаження. Електронні пристрої, які побудовані на електронних вакуумних лампах мають зазвичай великий вхідний опір (мегоми), а тому керуються генераторами напруги.

Генератори струму – це джерела постійного або змінного струму, які в ідеальному випадку мають нескінченно великий внутрішній опір та забезпечують постійний струм в навантажені за зміни опору навантаження. В реальних схемах генератором струму з невеликими похибками можна вважати джерело за умови Ri>>Rн. Струм подільника напруги (рис.1.12) визначається: I_н = E / ( R1 + R2 ).

За умови >> струм визначається співвідношенням E/R1 та залишається майже постійним за зміни опору навантаження від нуля до величини, за якої можна вважати, що R1>>R2. Зазвичай при аналізі електронних схем такий режим зберігається, коли =0.1 . Тобто, коли опори різняться на порядок. Це відноситься і до визначення співвідношення опорів в генераторах напруги.

В електронних схемах на біполярних транзисторах вхідний опір каскадів незначний (оми – кілооми), а тому керування каскадами відбувається генераторами струму.

Звертаю увагу на наступне. Електронні каскади зазвичай включаються послідовно, тобто до попереднього підсилювача з вихідним опором Rвих підключається наступний з вхідним опором Rвх. Для того, щоб наступний каскад не порушив режим роботи попереднього, необхідно дотримуватись співвідношення Rвх>10 Rвих. Наприклад, якщо вихідна напруга сформована за допомогою резисторів R1 та R3 (рис.1.12), вона буде становити приблизно 12В і майже не зміниться при підключенні паралельно резистора R4(100 кОм) ) - режим не буде порушено. Але при підключенні резистора R2 напруга впаде десь до 6 В, що недопустимо (треба враховувати). Загальні вимоги: вихідний опір якомога менший, а вхідний – якомога більший. Таким вимогам відповідають операційні підсилювачі.

При побудові підсилювачів потужності максимальний результат досягається за умови .

1.6.4. Моделювання електронних пристроїв за допомогою RC- та RL-схем

Прості та складні радіоелектронні схеми при їх аналізі зображають за допомогою еквівалентних схем, що містять в собі резистори, конденсатори, індуктивності, керовані генератори струму та напруги. У таких схемах інерційність, наявність часових та частотних спотворень моделюють за допомогою L- та C-елементів. Електричні кола з елементами, що накопичують енергію (C та L) суттєво відрізняються від кіл, що складаються виключно з резисторів. В останніх з вимкненням незалежних джерел усі напруги і струми миттєво стають рівними нулю. Навпаки, в електричних колах з С- та L-елементами струми і напруги залишаються деякий час навіть після вимкнення незалежних джерел. Ці напруги та струми зменшуються за відповідним для даної схеми законом. Перехідний процес продовжується доти, доки вся накопичена енергія не розсіється на резисторах.

В електричних та електронних схемах з конденсаторами використовують три характерні залежності: дві характеристики розглядались вище (лінійна залежність між струмом та напругою і нелінійний процес заряду), а треття – це залежність опору конденсатора від частоти. В першому наближені конденсатори та індуктивності є частотозалежними опорами. Для постійного струму опір конденсатора зростає до нескінченності, а опір індуктивності зменшується до нуля. З урахуванням цього проаналізуйте зміни коефіцієнта передачі подільника у випадках, коли замінювати резистори конденсаторами та індуктивностями.

Параметри та можливості використання конкретної електронної схеми та пристрою можна оцінювати аналізуючи процеси в RC- та RL-колах. У схемах можуть бути безліч комбінацій резисторів з індуктивностями та конденсаторами. Шляхом різних перетворювань згадані комбінації зводяться до двох типів RC-схем (LC-схем): диференціюючих (рис. 1.13, а) та інтегруючих (рис. 1.13, б).

Електричні кола, побудовані винятково на ідеальних резисторах, не змінюють співвідношення опорів зі змінюванням частоти вхідного сигналу, а тому мають сталий коефіцієнт передачі напруги. Амплітудно-частотна характеристика схеми, тобто залежність модуля коефіцієнта передачі від частоти K_U(), у цьому випадку являє собою горизонтальну лінію.

а ) б )

Рис. 1.13. Диференціююча (а) та інтегруюча (б) RC- схеми.

Наявність передбачених та непередбачених (паразитних) ємностей та індуктивностей зумовлює значну залежність коефіцієнта передачі схеми (К) від частоти. Наприклад, в диференціюючій схемі через конденсатор не передається постійна складова ЕІС, а тому модуль коефіцієнта передачі на частоті ω= 0 дорівнює нулю. Зі збільшенням частоти сигналів опір конденсатора зменшується, що забезпечує збільшення коефіцієнта передачі до максимального значення. Якщо не враховувати вплив паразитних ємностей та індуктивностей К залишається постійним при подальшому збільшені частоти до нескінченності. Диференціююча схема пропускає лише високочастотні складові ЕІС, а тому відноситься до фільтрів високої частоти (ФВЧ, рис.14, а).

В інтегруючих схемах навпаки, в області низьких частот опір конденсатора на виході забезпечує максимальний коефіцієнт передачі. Зі збільшенням частоти ЕІС опір конденсатора зменшується, співвідношення опорів зменшується К спадає. Маємо фільтр нижніх частот (ФНЧ, рис.1.14, б).

Рис.1.14. Амплітудно-частотні характеристики диференціюючої (а) та інтегруючої (б) схем.

За допомогою таких схем створюють та моделюють різноманітні електронні пристрої та системи, а тому вивчення та аналіз поведінки таких схем в частотній та часовій областях дасть можливість вивчати та досліджувати підсилювачі й більш складні пристрої та системи.