книги из ГПНТБ / Овчаренко, В. М. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы учебник

большинство этих носителей за счет поля, создаваемого источником питания U2, втягиваются из базы в коллектор и образуют ток кол­ лектора 1К, а остальные образуют ток базы / б. Направления токов эмиттера, базы и коллектора показаны на рис. 14 стрелками. Постоян­ ный ток коллектора, проходя через i?H, создает на нем постоянное напряжение, которое не пропускается на выходные зажимы кон­ денсатором Ср2. Следовательно, как и в ламповом усилителе, при отсутствии сигнала на входе, на выходе усилителя напряжение также равно нулю. При поступлении сигнала на вход усилителя в те полупериоды, когда на базу подается плюс, а на эмиттер минус, ток сигнала и ток питания направлены навстречу друг другу, на­ пряжение U1 уменьшается, что приводит к уменьшению эмиттерного, а следовательно, и коллекторного тока. В другие полупериоды, когда на базу подается минус, а на эмиттер плюс, ток сигнала и ток питания протекают в одном направлении, напряжение U г увеличи­ вается, что приводит к увеличению эмиттерного и коллекторного токов.

Таким образом, коллекторный ток становится пульсирующим. Переменная составляющая этого тока в те полупериоды, когда на базе плюс, а на эмиттере минус, протекает по цепи: эмиттер, Сэ, Сбл, Дн, коллектор; в другие полупериоды — по этой же цепи, но в обратном направлении. Этот ток создает на R„ переменное напряжение U ^ = 1к~ К н, которое через Ср2п оступает на выходные зажимы. Как и в ламповом усилителе, выходное напряжение может в несколько десятков раз превосходить напряжение, поданное на вход.

Катодный и эмиттерный повторители

Эти каскады предназначены для согласования сопротивлений соединяемых между собой элементов аппаратуры. Схемы катодного и эмиттерного повторителя показаны на рис. 15. В отличие от уси­ лителей напряжения нагрузочный резистор здесь включен не в цепь анода (или коллектора), а в цепь катода (или эмиттера). Можно дока­ зать, что в повторителях UBax и UBK совпадают по фазе; другими словами, выходное напряжение повторяет фазу входного, чем и объ­ ясняется название каскада.

Действительно, пусть в какой-то полупериод входной сигнал подается на сетку со знаком плюс. При этом анодный ток увеличивается и его переменная составляющая, протекая в том же направлении, что и постоянная составляющая, проходит от катода через RHи Сбл к аноду и создает на нагрузке напряжение с полярностью: плюс в точке а, минус в точке б. В другие полупериоды, когда на сетку подается минус, анодный ток уменьшается, его переменная составляю­ щая протекает по той же цепи в обратном направлении и полярность напряже­ ния на резисторе RH изменяется. Сравнивая полярность выходного и входного напряжений по отношению к корпусу, видим, что они одинаковы, т. е. Свых и UBX совпадают по фазе. Аналогично работает и эмиттерный повторитель.

Коэффициент усиления повторителей всегда меньше единицы. Объясняется это тем, что в цепи сетка—катод (или база—эмиттер)

40

входное и выходное напряжения в любой момент времени включены навстречу друг другу, хотя и имеют одинаковую полярность по от­ ношению к корпусу: Поэтому результирующее напряжение в цепи сетка—катод (или база—эмиттер) равно разности входного и выход­ ного напряжений. Если в процессе работы выходное напряжение приблизится по своему значению к входному, результирующее

Рис. 15. Катодный и эмиттерный повторители.

а — катодный; б — эмиттерный повторитель

напряжение в цепи сетка—катод уменьшится, что приведет к умень­ шению переменной составляющей анодного тока, а следовательно, и к уменьшению создаваемого этим током выходного напряжения:

Рис. 16. Схема включения катодного или эмиттерного повторителя:

А — элемент аппаратуры с высокоомным выходом; Б — элемент аппаратуры с низкоомным входом

UBblx — I ~ R H. Именно поэтому выходное ’ напряжение никогда не может стать равным или большим, чем входное, коэффициент усиле­ ния повторителей всегда меньше единицы и естественно, что для усиления сигналов эти каскады не используются.

Особенностью повторителей является высокое входное сопроти­ вление при сравнительно малом сопротивлении со стороны выход­ ных зажимов. Объясняется это тем, что вследствие малого значения результирующего напряжения в цепи сетка—катод ток в этой цепи также мал, а следовательно входное сопротивление R BX = UBX UBX велико. В то же время выходное сопротивление Двых, величина ко­ торого зависит от R H, может быть сделано достаточно малым. Эта особенность повторителей позволяет использовать их для

41

согласованного включения элементов аппаратуры, сопротивления которых значительно отличаются одно от другого.

На рис. 16 показан элемент аппаратуры А, обладающий высоко­ омным выходом, и элемент аппаратуры Б с низкоомным входом, которые должны быть соединены друг с другом. Если соединение произвести непосредственно, т. е. без повторителя, то выход эле­ мента А будет зашунтирован низкоомным входом элемента Б , что приведет к уменьшению напряжения и, следовательно, к увеличе­ нию потерь энергии сигнала. Если же между А и Б включить катод­ ный или эмиттерный повторитель, условия прохождения сигналов улучшатся, так как высокоомный выход элемента А будет соединен с высокоомным же входом повторителя, а низкоомный выход повто­ рителя — с таким же входом элемента Б .

Усилители мощности

В этих усилителях основным показателем является мощность сигнала, выделяемая на заданной нагрузке. Каскады усиления мощ­ ности подразделяются на однотактные, применяемые при выходной мощности до 3—5 Вт, и двухтактные, применяемые при большей выходной мощности.

Рис. 17. Однотактные усилители мощности:

а — ламповый; б — транзисторный

Схемы о д н о т а к т н ы х усилителей мощности представлены на рис. 17. Оконечные устройства (измерительные приборы, реле, громкоговорители и др.), на которые работают усилители, обладают обычно небольшим сопротивлением порядка десятков или сотен Ом и требуют для своей работы сравнительно больших токов. Если та­ кую нагрузку включить непосредственно в анодную цепь лампы, обладающей большим внутренним сопротивлением Кг, то ток в цепи будет значительно меньше требуемого, что приведет к существенному уменьшению мощности выходного сигнала.

Для получения максимально возможной при данных лампах или транзисторах мощности выходного сигнала низкоомная нагрузка

42

подключается к усилителю через понижающий трансформатор. Первичная обмотка трансформатора, включаемая в анодную цепь лампы, благодаря большому числу витков обладает большой индук­ тивностью Ь х, а следовательно, и большим индуктивным сопротивле­ нием хь = 2n f L x, подбираемым примерно равным внутреннему со­ противлению лампы R t.

При работе усилителя через эту обмотку протекает пульсиру­ ющий ток, переменная составляющая которого создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток, индуктирующий на­ пряжение t/2 во вторичной обмотке. Это напряжение во столько раз

Рис. 18. Двухтактный ламповый усилитель мощности

меньше напряжения, выделяемого переменной составляющей анод­ ного тока на первичной обмотке, во сколько раз число витков вто­ ричной обмотки меньше, чем первичной,

В то же время благодаря высокому к. п. д. трансформатора мощность сигнала в цепи вторичной обмотки почти равна мощности сигнала в цепи первичной обмотки. При одинаковой мощности сиг­ нала сила тока в цепи вторичной обмотки увеличится во столько же раз, во сколько уменьшилось напряжение, т. е.

Подбором числа витков первичной и вторичной обмоток выход­ ного трансформатора можно получить требуемый для нагрузки ток даже при большом внутреннем сопротивлении лампы R :. Таким об­ разом, с помощью трансформатора обеспечиваются наилучшие усло­ вия передачи сигнала с выхода усилителя на нагрузку.

Схема двухтактного лампового усилителя мощности представлена на рис. '18. В состав схемы входят две одинаковые по своим пара­ метрам лампы Л х и Л 21 сеточный трансформатор СТ, имеющий

43

вывод средней тонки вторичной обмотки, и анодный трансформатор А Т с выводом средней точки первичной обмотки. При отсутствии вход­ ного сигнала в анодных цепях ламп протекают одинаковые по вели­ чине постоянные анодные токи 1Я1 и / а2, которые, как видно из схемы, проходят через первичную обмотку АТ в противоположных напра­ влениях, благодаря чему результирующий магнитный поток в сер­ дечнике трансформатора равен нулю. Отсутствие подмагничивания выходного трансформатора улучшает его работу, что является одним

ляющая протекает в том же напра­ влении, что и постоянная составляющая, т. е. от катода через источ­ ник анодного питания и верхнюю половину первичной обмотки А Т к аноду. В это же время анодный ток лампы Л 2 уменьшается и его переменная составляющая протекает в направлении, противополож­ ном постоянной составляющей, т. е. от анода через нижнюю поло­ вину первичной обмотки АТ и источник питания к катоду. В другие полупериоды полярность напряжения на сетках ламп и направления переменных составляющих анодных токов изменяются. Как видно из схемы, через первичную обмотку трансформатора переменные составляющие анодных токов обеих ламп в каждый данный момент времени протекают в одном и том же направлении. Поэтому магнит­ ные потоки, создаваемые этими токами в сердечнике трансформатора, складываются и мощность сигнала, поступающего в нагрузку, удваивается по сравнению с однотактной схемой. Помимо указанных преимуществ двухтактные схемы отличаются меньшими искажениями и возможностью работы в более экономичных режимах.

По такому же принципу работают и трансформаторные двухтакт­ ные усилители на транзисторах. Но при использовании транзисто­

44

ров чаще применяют двухтактную схему другого типа, называемую

к выходным зажимам непосредственно или (если это необходимо)

транзистора Г 2 типа р —п—р, коллектор — база — эмиттер транзи­ стора Т г типа п—р —п, минус. Переменное напряжение входного сигнала поступает через разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 на базы обоих транзисторов с одинаковой фазой. Пусть в какой-то полупериод в точке а плюс, а в точке б минус. Для транзистора Т 2 типа р—п—р напряжение такой полярности вызывает уменьшение эмиттерного и коллекторного токов, и поэтому переменная соста­ вляющая коллекторного тока протекает в направлении, противо­ положном постоянной составляющей: эмиттер Т 2, батарея, нагрузка, разделительный конденсатор СР8, коллектор Т 2. Для транзистора Т х типа п—р —п напряжение, поданное плюсом на базу, приводит к увеличению эмиттерного и коллекторного токов, и поэтому пере­ менная составляющая коллекторного тока этого транзистора проте­ кает в том же направлении, что и постоянная составляющая: эмит­ тер Т х, нагрузка Срз, коллектор Т г. В другие полупериоды поляр­ ность UBX и направление переменных составляющих коллекторных токов будут противоположными.

Таким образом, переменные составляющие коллекторных токов обоих транзисторов проходят через нагрузку в каждый момент вре­ мени в одном и том же направлении, благодаря чему выходная мощ­ ность по сравнению с однотактной схемой удваивается.

§4. ВЫПРЯМИТЕЛИ, СТАБИЛИЗАТОРЫ

ИПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Электропитание измерительной аппаратуры, применяемой для контроля параметров бурения, может осуществляться в зависимости от условий эксплуатации от сети переменного тока или от источников постоянного тока. В то же время в самой аппаратуре некоторые элементы (например, электронные усилители) должны всегда пи­ таться постоянным током, а другие элементы (например, асинхрон­ ные двигатели) переменным током, причем требуемые напряжения часто отличаются от напряжения питающей сети.

При питании аппаратуры от промышленной сети иеременного тока сеть обычно подключается к силовому трансформатору1,

1 Силовыми эти трансформаторы называются в отличие от слаботочных трансформаторов, применяемых в цепях звуковой и высокой частоты.

45

имеющему несколько вторичных обмоток, с которых снимаются на­ пряжения, требуемые для питания отдельных элементов. К вторич­ ным обмоткам трансформаторов подключаются также выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный.

При питании аппаратуры от источника постоянного тока те ее элементы, которые требуют напряжение постоянного тока, равное напряжению источника, подключаются непосредственно к послед­ нему. Для получения переменных напряжений в этом случае при­ меняют преобразователи постоянного тока в переменный. С выхода преобразователя переменное напряжение обычно подается на сило­ вой трансформатор, откуда распределяется по элементам аппаратуры.

Для обеспечения постоянства питающих напряжений приме­ няют стабилизаторы.

Выпрямители

Выпрямитель состоит из трех основных элементов: силового трансформатора, одного или нескольких вентилей и сглаживающего фильтра. Силовой трансформатор повышает или понижает напряже­ ние питающей сети до требуемого значения. Вентили, т. е. элементы,

Рис. 20. Однополупериодный выпрямитель:

а — схема; 6 — графики, поясняющие работу выпрямителя

обладающие односторонней проводимостью, преобразуют перемен­ ный ток в импульсный. Сглаживающий фильтр уменьшает пульса­ цию выпрямленного напряжения.

Выпрямители подразделяются на две основные группы: однополупериодные, в которых выпрямленный импульсный ток протекает по цепи только в течение одного полупериода приложенного пере­ менного напряжения, и двухполупериодные, в которых импульсный ток протекает в цепи в течение обоих полупериодов.

Схема и графики, поясняющие работу однополупериодного вы­ прямителя, показаны на рис. 20. Напряжение сети создает перемен­ ный ток в первичной обмотке силового трансформатора, индукти­ рующий напряжение в его вторичной обмотке. В те полупериоды, когда в точке а плюс, а в точке б минус напряжение к диоду прило­

46

жено в прямом направлении, диод открыт и по цепи протекает им­ пульс тока / 2 в направлении от тонки а к точке б. В другие полупериоды, когда в точке а минус, а в точке б плюс, напряжение к диоду приложено в обратном направлении, диод заперт и тока в цепи нет. Таким образом, ток / 2, протекающий через диод, является импульс­ ным; он состоит из постоянного тока или постоянной составляющей и переменных составляющих, называемых гармониками. Частота первой гармоники равна частоте повторения импульсов, частота второй гармоники в два раза выше и т. д. Амплитуда каждой гармо­ ники зависит от формы и амплитуды импульсов и от продолжитель­ ности пауз между ними, причем чем больше номер гармоники, тем меньше ее амплитуда.

Постоянная составляющая импульсного тока, обозначенная на

Существенными недостатками однополупериодных схем выпря­ мления являются плохое использование трансформатора по току и значительная пульсация выпрямленного напряжения, объяс­ няемая большими амплитудами гармоник.

Величина пульсации выпрямленного напряжения оценивается коэффициен­ том пульсации

где U1 — амплитуда первой гармоники; U0 — постоянная составляющая выпрям­ ленного напряжения. Для однополупериодных схем Кп = 1,57.

Хотя однополупериодные выпрямители наиболее простые, но из-за указанных недостатков применяются они сравнительно редко.

Двухполупериодные схемы выпрямления имеются двух типов: с х е м а с в ы в о д о м с р е д н е й т о ч к и о т в т о р и ч ­ н о й о б м о т к и т р а н с ф о р м а т о р а и м о с т о в а я

сх е м а .

Всхеме, показанной на рис. 21, а, вторичная обмотка силового

носительно точки О — положительный, а потенциал точки б отно­ сительно точки О — отрицательный. При этом напряжение к диоду Д х приложено в прямом направлении, он открыт и ток проходит от точки а через диод Д х и сопротивление нагрузки R H к точке О. К диоду Д 2 в это время напряжение приложено в запорном напра­ влении, и он ток не пропускает. В другие полупериоды диод Д : заперт,'а диод Д 2 открыт и ток проходит от точки б через Д 2 и R H

кточке О. Таким образом, импульсы тока 1 2 проходят через нагрузку

втечение обоих полупериодов в одном и том же направлении.

47

При двухполупериодном выпрямлении постоянная составляющая импульсного тока увеличивается в два раза

что является существенным преимуществом данной схемы. Второе ее достоинство — значительно меньшая пульсация выпрямленного напряжения (Кп = 0,67), объясняемая меньшими амплитудами гар­ моник вследствие отсутствия пауз между импульсами. Недостатки

Рпс. 21. Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки:

о — схема; б — графики, поясняющие работу выпрямителя

схемы — усложнение трансформатора, связанное с необходимостью вывода средней точки его вторичной обмотки, и плохое использова­ ние этой обмотки по напряжению, так как в каждый полупериод напряжение снимается только с половины ее витков.

включаемые в плечи электрического моста; к одной его диагонали подключена нагрузка, а к другой — вторичная обмотка силового трансформатора. В те полупериоды переменного напряжения, когда в точке а плюс, а в точке б минус, открыты диоды Д г и Д г и ток проходит от точки а через Д ъ R a и Д 3 к точке б. В другие полупе­ риоды, когда в точке а минус, а в точке б плюс, открыты диоды Д 2 и Д 4 и ток проходит от точки б через Д 2, 7?н и Д 4 к точке а. Таким образом, как и в схеме со средней точкой, импульсы тока проходят

48

через нагрузку в течение обоих полупериодов в одном и том же направлении. Графики токов и напряжений аналогичны показанным на рис. 21, б.

Мостовая схема свободна от недостатков, присущих схеме с вы­ водом средней точки, и поэтому, несмотря на необходимость четырех диодов вместо двух, получила наибольшее применение.

Внекоторых образцах измерительной аппаратуры применяются выпрямители с умножением напряжения; их используют для повыше­ ния выпрямленного напряжения при заданном напряжении на вто­ ричной обмотке трансформатора либо при отсутствии повышающего силового трансформатора с необходимым коэффициентом трансфор­ мации. Наиболее часто встречается параллельная схема с удвоением напряжения (рис. 23).

Вте полупериоды переменного напряжения, когда в точке а

заряжается конденсатор С2 через диод Д 2. Разряд конденсаторов может происходить только через нагрузку, причем в цепи разряда оба конденсатора соединены между собой последовательно и напря­

Как было сказано выше, для уменьшения пульсации выпрямлен­ ного напряжения применяются сглаживающие фильтры, которые включаются между выходными зажимами выпрямительной схемы

инагрузкой. Сглаживающий фильтр должен отсеивать переменные составляющие выпрямленного импульсного тока, а постоянную составляющую пропускать на нагрузку по возможности без потерь

итаким образом обеспечивать снижение пульсации выпрямленного напряжения до заданного уровня.

Коэффициент сглаживания

(рис. 24, а и б), у которых в последовательные ветви включаются дроссели L, а в параллельные — конденсаторы С. Действие фильтра основано на зависимости сопротивления его элементов от частоты тока. Сопротивление дросселя постоянному току, равное омическому сопротивлению его обмотки, близко к нулю. В цепях переменного тока возникает индуктивное сопротивление дросселя хь = 2я/L, которое возрастает с повышением частоты. Поэтому постоянный ток проходит через дроссель почти без потерь, а переменным составля­ ющим импульсного тока дроссель оказывает большое сопротивление. Сопротивление конденсатора постоянному току равно бесконечности, так как заряженный конденсатор постоянный ток не пропускает.