1.2.3. Активні компоненти – електронні прилади

Розвиток електротехніки уже в 1832 р. забезпечив створення електромагнітного телеграфу – першої електротехнічної системи для формування та передачі ЕІС. Використання електричних реле дозволило вперше вирішити задачу підсилення потужності ЕІС. Цей принцип (принцип реле) було використано в перших моделях радіоприймачів А.С.Попова та Г.Марконі. Такі прилади приймали тільки радіотелеграфні сигнали (двох рівнів). У 1907 р. було створено триелектродну вакуумну лампу – вакуумне реле, що відкрило шлях до підсилення потужності як радіотелеграфних сигналів, так і аналогових, амплітуда яких плавно змінюється в широких межах. Це дозволило створити системи радіомовлення. Почалась епоха радіотехніки та електроніки. Особливістю електронних приладів є здатність забезпечувати підсилення потужності ЕІС (Кр>>1). Такий процес пояснюється нижче та детально розбирається в подальших розділах.

З а допомогою електроперетворювальних (активних) приладів відбувається перетворення електричних сигналів (підсилення, формування незгасаючих електричних коливань, детектування і т. ін.). До них належать: різні типи напівпровідникових діодів (НД), біполярні транзистори (БТ), польові транзистори (ПТ), інтегральні мікросхеми (ІМС); оптоелектронні прилади. Ці прилади детально розглядаються в частині 3.

І

Рис 1.5. Дискретні активні компоненті та ІМС.

нтегральні мікросхеми являють собою закінчені функціональні вузли, що дозволяють виконувати різні електроперетворювальні процеси керування потужністю, яка надходить із зовнішнього джерела живлення у навантаження. Інтегральні мікросхеми – це найбільш досконалий тип електронних приладів.

Активні прилади дозволяють за рахунок потужності джерела живлення сформувати на виході ЕІС потужність яких може значно перевищувати потужність вхідного.

1.3. Типові процеси обробки еіс

В процесі передачі та перетворення ЕІС реалізується ряд маніпуляцій, серед яких найбільш поширеними є: підсилення (струму, напруги, потужності), генерація незгасаючих електричних коливань різної форми, випрямлення, модуляція, детектування, перетворення частоти, селекція (виділення) за амплітудою, частотою, тривалістю імпульсів та ін.

Підсилення потужності ЕІС. Це найбільш поширений процес обробки ЕІС. В наступних розділах будуть детально розглянуті питання побудови різноманітних підсилювачів. Зупинимось лише на поясненні принципу підсилення.

Підсилення потужності ЕІС було реалізовано в перших електричних телеграфних системах шляхом використання електромагнітних реле та джерел живлення.

Реле як елементи електричних схем використовують для комутацій і керування потужністю, що надходить у кероване навантаження. Цікаво, що термін реле (від. франц. relais – реле) вживався у минулому для позначення процесу заміни коней на поштових станціях. Це, так би мовити, забезпечувало підсилення потужності за рахунок зміни контура.

В

Рис. 1.6а. Підсилення потужності ЕІС за допомогою реле.

електричних колах за допомогою реле малопотужний інформаційний сигнал керує майже необмеженою потужністю, яка спрямовується від зовнішнього джерела живлення у навантаження R_н (рис. 1.6а).

Аналогічно працюють і активні прилади. До речі, вакуумні тріоди після їх винайдення називали пустотілими реле. У літературі та серед спеціалістів зустрічається вислів «Транзистор (лампа) підсилює потужність». Мається на увазі, що за допомогою активних приладів керують потужністю, яка надходить від зовнішнього джерела живлення в навантаження. Цей процес відбувається за законом зміни сигналу на вході. Потужність вхідного інформаційного сигналу, так само як і при використанні реле, може бути значно меншою від потужності джерела живлення (рис. 1.6б), що і забезпечує необхідний коефіцієнт підсилення за потужністю К_р >> 1.

З а допомогою реле в електричній схемі можна забезпечувати тільки два стани: «Ввімкнено» і «Вимкнено». Це дозволило використовувати реле в радіотелеграфній апаратурі, телефонії, різних системах комутації, зокрема в обчислювальній техніці.

Е

Рис.1.6б. Підсилення потужності ЕІС за допомогою активних приладів.

лектронні прилади є більш досконалими ключами і дозволяють плавно майже безінерційно змінювати опір електричного кола в широких межах, коли на вхід надходить аналоговий сигнал (наприклад, гармонічний).

П

Рис. 1.7. Підсилення потужності за допомогою активних компонентів.

ослідовно з джерелом постійної напруги E включено два опори: постійний опір R_н (опір навантаження), і змінний опір R_л.. Роль змінного опору виконує електронна лампа або транзистор, які під впливом напруги або струму, що підводиться до входу підсилювача (як умовно показано на рис.1.7 штриховою лінією і стрілкою), змінюють величину свого опору.

Наприклад, в радіоприймачі і передавачі є ряд підсилювачів електричних коливань. Необхідність посилення неважко зрозуміти з порівняння потужностей. Так, потужність радіосигналу на вході приймального пристрою нерідко має величину 10^-14—10^-12 Вт, а для роботи кінцевого приладу (наприклад, гучномовця) зазвичай потрібна потужність порядку одного або десятків (сотень) ватів. Таким чином, в приймальному пристрої потрібне підсилення потужності в 10¹²— 10¹⁴ разів. Звідси витікає одна з важливих задач радіоелектроніки — підсилення потужності електричних коливань, збільшення амплітуди коливань за струмом чи напругою.

Г енерація незгасаючих електричних коливань. В каналах обробки та передачі інформації такий процес широко використовують. Принцип формування сигналів показано на рис.1.8.

Такий процес реалізується при побудові підсилювачів постійного струму.

Рис. 1.8. Генерація

незгасаючих електричних

коливань.

При цьому використовуються: потужність джерела живлення; підсилювач потужності електричних сигналів; передача частини потужності сигналів з виходу на вхід за позитивного зворотного зв`язку. Генератори різноманітних незгасаючих електричних коливань детально розглядаються нижче. Зараз необхідно засвоїти принцип їх побудови на рівні структури.

Слід звернути увагу на те, що підсилення потужності ЕІС та формування незгасаючих електричних коливань досягається за рахунок використання потужності зовнішніх джерел живлення.

Випрямлення – це перетворення енергії джерела змінного струму в енергію постійного струму. Зазвичай джерелом електричної енергії для РЕА є промислова мережа змінного струму напругою 220 В,

50 Гц. Безпосередньо для підключення апаратури використовуються джерела постійного струму, для чого в кожному автономному пристрої (телевізорі, комп’ютері та ін.) створюються блоки живлення для формування постійних напруг необхідних величин. Основними елементами таких блоків є випрямлячі, принципи побудови та функціонування яких розглядаються в розділі 3.6.1.

Модуляція. В радіотехніці для передачі сигналу шляхом випромінювання електромагнітних коливань необхідні високочастотні коливання, так як електричні коливання, одержані від датчиків, наприклад, від мікрофону, є зазвичай низькочастотними (30 Гц…20 кГц), а тому безпосередньо не можуть достатньо ефективно випромінюватися антеною і розповсюджуватися на великі відстані. Цю проблему вирішили за допомогою модуляції.

Модуляцією називається зміна одного з параметрів високочастотного коливання (амплітуди, частоти або фази) за законами зміни вхідного низькочастотного ЕІС. Високочастотне коливання (несуче), промодульоване низькочастотним сигналом (огинаючою), називається радіосигналом.

Розрізняють три основні види модуляції: амплітудну (АМ), частотну (ЧM) і фазову.

В радіомовленні, в діапазоні довгих, середніх та коротких хвиль, а також на телебаченні, в каналі зображення використовують АМ - модуляцію. В діапазоні метрових хвиль радіомовлення та в каналі звукового супроводження в телебаченні використовують ЧМ- модуляцію (англ. FM).

Детектування. Детектуванням називається процес, зворотний процесу модуляції. При детектуванні високочастотного модульованого коливання виділяється початкове модулююче низькочастотне коливання, відновлюється огинаюча.

За допомогою підсилювача низької частоти (ПНЧ) потужність ЕІС доводиться до рівня, необхідного для оптимальної роботи (гучномовців) кінцевих приладів.

Аналого-цифрове та цифро-аналогове перетворення. Аналогові сигнали формуються різноманітними датчиками – формувачами ЕІС, зокрема датчиками температури, на виході мікрофонів та ін.

В сучасних інформаційних системах використовують цифрові методи та системи обробки сигналів, для чого аналогові сигнали датчиків за допомогою аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) перетворюються у відповідні цифрові сигнали (рис.1.9 ).

Аналоговий сигнал Цифровий Аналоговий сигнал

0101111011001

Рис.1.9. Перетворення ЕІС.

В той же час в переважній більшості кінцеві пристрої є аналоговими, а тому в складі інформаційних систем передбачають зворотне перетворення – цифро-аналогове, для чого використовують цифро-аналогові перетворювачі ( ЦАП ). При цьому кожний цифровий код, що поступає на вхід ЦАП, формує відповідне значення аналогового сигналу.