Тема 1.4. Усилители

1.4.1. Назначение, основные характеристики, параметры и классификация усилителей

Усилители относятся к одним из самых распространенных элементов автоматики.

Усилители предназначены для усиления слабых электрических сигналов с целью повышения их помехоустойчивости при передаче на расстояние и для надежного воздействия на нагрузочные элементы.

Усилитель не меняет природу и форму сигнала, он лишь увеличивает его мощность. Увеличение мощности выходного сигнала усилителя происходит за счет энергии источника питания. Очевидно, что мощность выходного сигнала усилителя не может превосходить мощности источника питания.

Источниками слабых сигналов для усилителя могут быть, например, датчик, предшествующий усилитель. Нагрузкой усилителя являются такие устройства, как последующий усилитель, реле, электродвигатель, гальванометр и т.д.

Большую часть усилителей составляют электронные усилители на транзисторах или в интегральном исполнении, реже используются электромашинные и магнитные усилители.

По диапазону частот усиливаемого сигнала различают следующие типы усилителей:

Название усилителей	Диапазон частот
Усилители постоянного тока	Не более 10 Гц
Усилители звуковой частоты	10 Гц – 10 кГц
Усилители радиочастоты	10 кГц – 10 МГц

Обобщенная идеализированная характеристика усилителя имеет вид (рис.4.1):

Рис.4.1

Здесь х – входная величина усилителя,

у – выходная величина,

ОА – рабочий участок характеристики усилителя, для которого форма выходного сигнала повторяет форму выходного.

Основные параметры усилителя:

Коэффициент усиления k – показывает, во сколько раз выходной сигнал усилителя больше входного. k определяется для линейного участка характеристики ОА по формуле k=у/х. Для вычисления k значения у и х нужно выразить в одинаковых единицах измерения. Например, определим коэффициент усиления для усилителя напряжения, для которого выходное напряжение Uвых=1,5 В при входном напряжении равном Uвх=20 мВ. По определению k= Uвых/ Uвх; Uвых=1,5В=1500мВ. k= 1500мВ/20 мВ=750.

х_макс – максимальное значение входной величины, которое еще усиливается усилителем без искажения;

у_макс - максимальное значение выходной величины на рабочем участке характеристики.

Для многокаскадного усилителя коэффициент усиления k связан c коэффициентами усиления его каскадов формулой k= k1k2 … k_n, где k1, k2 ,.. коэффициенты усиления каскадов усилителя.

4.2. Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока – распространенный тип усилителей в автоматике. Они имеют много разновидностей: однотактные, балансные, одно- и многокаскадные и др.

4.2.1.Однотактные усилители

Однотактные усилители используют, например, в электронных реле, в схемах управления двигателями постоянного тока.

На рис. 4.2 представлена схема однотактного усилителя на n-p-n транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис.4.2

Основные элементы схемы:

• VT – транзистор,

• Rк – нагрузка цепи коллектора транзистора,

• Ек – источник питания.

Дополнительные элементы:

• R1, R2 – делитель напряжения, напряжение, снимаемое с резистора R2 служит для создания начального отрицательного смещения на базе транзистора; R1 и R2 подбирают таким образом, чтобы в начальном состоянии транзистор был полуоткрыт. При этом начальное выходное напряжение, снимаемое с коллектора транзистора, равно 1/2Ек.

• Резистор Rэ служит для термостабилизации тока транзистора.

На рис. 4.3 показаны временные диаграммы входного и выходного напряжения, когда на вход усилителя подается медленно изменяющееся напряжение по величине и знаку.

Рис. 4.3

Пояснения к диаграммам: Положительное входное напряжение уменьшает сопротивление транзистора, и напряжение на его коллекторе приближается к нулю, тем ближе, чем выше уровень входного напряжения. Отрицательное входное напряжение увеличивает сопротивление транзистора, поэтому выходное напряжение возрастает, приближаясь к значению напряжения источника питания Ек.

Усилительные свойства данной схемы проявляются в том, что при изменении входного напряжения, выходное напряжение меняется пропорционально входному. При этом за счет усилительных свойств амплитуда изменения выходного напряжения больше амплитуды изменения входного напряжения.

Недостатки однотактного усилителя:

• Характеристика усилителя (Uвых=F(Uвх)) не выходит из начала координат;

• Сильный дрейф нуля, который проявляется в самопроизвольном изменении выходного напряжения, когда входное не меняется, даже если входное напряжение равно нулю.

Причины дрейфа нуля:

• Нестабильность питающего напряжения;

• Температурная зависимость свойств транзисторов от температуры.

Дрейф нуля нельзя исключить, но можно уменьшить, используя стабилизированные источники питания, и частично компенсируя зависимость свойств транзистора от температуры, включая в цепь эмиттера транзистора резистор Rэ (см. рис.4.2).