1.3. Энергетическое представление аэу

АЭУ предназначены для усиления и обработки сигналов, к которым относятся сигналы, изменяющиеся по тому же закону, что и описываемые ими физические процессы.

Усилением называется процесс управления энергией, полученной от местного источника питания при помощи значительно меньшей управляющей энергии, поступающей от источника сигналов. Таким образом, усиление – это процесс преобразования энергии источника, вызываемый действием сигнала и сопровождающийся увеличением его мощности.

Управляющая мощность называется мощностью возбуждения усилителя или входной мощностью P₁. Управляемая мощность представляет собой мощность, преобразуемую от источника питания P₀. Часть потребляемой мощности, отдаваемая во внешнюю цепь, представляет собой выходную мощность P₂. Входная мощность P₁, полученная от источника возбуждения, например, микрофона, характеризует уровень сигнала так же, как и выходная мощность P₂, отдаваемая нагрузке, например, громкоговорителю. Назначением усилителя, таким образом, является повышение мощности источника сигнала путем использования его энергии для управления более мощным источником, питающим усилитель.

В отличие от пассивной цепи, например, трансформатора, коэффициент усиления мощности усилителя всегда превышает единицу, т.е. K_P = P₂/P₁ > 1.

Возможно и энергетическое представление усилителя. Усилитель рассматривается как устройство, управляющее потоком энергии от источника энергии (аккумулятор, выпрямитель) к нагрузке. Управление энергией происходит по закону определяемому входным сигналом S_вх, в результате чего в нагрузке выделяется мощность P₂, соответствующая сигналу S_вых. Часть мощности источника энергии P_п составляют тепловые потери в самом усилителе. Энергетический баланс изображенной на рис. 1.1 схемы выражается равенством P₀ = P₂+P_п. величина η = P₂/P₀ представляет собой коэффициент полезного действия (КПД) усилителя, который, естественно, всегда меньше единицы.

Рис. 1.1. Энергетическое представление усилителя

На энергетической схеме усилитель представляется пассивным элементом цепи.

В электронном усилителе усиление по мощности обычно сопровождается усилением по напряжению и усилением по току. Однако в некоторых случаях усиление по напряжению или по току может отсутствовать, в то время как усиление по мощности, являясь выражением существа работы усилителя, имеет место во всех случаях.

Построение АЭУ на основе активных электронных приборов позволяет усиливать сигналы. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В усилителе входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, которое за счет энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся по форме более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит его по напряжению, току или мощности. Усиление колебания не обязательно сопровождается увеличением его мощности, но создается выходное колебание за счет энергии источника питания. Напряжение последнего в усилителе преобразуется в напряжение заданной формы. Поэтому можно считать, что усилитель является преобразователем формы напряжения.

Совокупность усилителя и источника питания составляет усилительное устройство (рис. 1.1,а). Главной его частью является усилитель, вследствие чего эти два понятия обычно отождествляют.

Рис. 1.1. Энергетическое представление усилителя

К входным зажимам 1-1′ подключают источник усиливаемого колебания (сигнала), который можно представить в виде эквивалентного активного двухполюсника, с генератором ЭДС E_г (рис. 1.1,а) или с генератором тока I_г (рис. 1.1,б), имеющим внутреннее сопротивление Z_г. Оба эти представления равноценны и могут быть преобразованы одно в другое. Однако высокоомный источник сигнала (имеющий большое по сравнению с входным сопротивлением усилителя) целесообразно представлять схемой с генератором тока, а низкоомный – схемой с генератором ЭДС. Тогда в первом приближении сопротивление Z_г можно не учитывать и эквивалентный активный двухполюсник упрощается до идеальных генераторов тока или ЭДС. Источниками входных сигналов могут быть микрофон, детектор, датчик, диодный фотоприемник, выход предыдущего усилителя и т.п.

В усилителе энергия источника питания преобразуется в энергию усиленного с помощью усилительных активных элементов. Если в качестве их применяют электронные приборы, то усилители называют электронными. В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы, такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. Для усиления электрических сигналов они имеют почти исключительное применение.

Электронные усилители в современной технике находят самое широкое применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более сложных устройств. Их используют в бытовой электронике, звуковом кино, радиолокации, медицине, технике измерений, автоматике и т.д. на их основе строятся почти все другие АЭУ обычно посредством добавления тех или иных цепей обратной связи (ОС).