Усилители (не электронные).

Усилитель представляет собой устройство, увеличивающее масштаб входного сигнала за счет энергии постороннего источника, при этом размерность входной и выходной величин одинаковы.

По принципу действия и конструктивному оформлению усилители делятся на электронные, магнитные, электромагнитные, диэлектрические, механические, пневмеханические и гидравлические.

Наибольшее распространение получили электронные (полупроводниковые), но также широко применяются электромагнитные и магнитные усилители.

Различают усилители мощности, напряжения или тока.

Свойства усилителей оцениваются номиналами общих характеристик элементов также к.п.д. и инертностью.

Электрические их типы дополнительно характеризуются, диапазоном усиливаемых частот, искажением формы входного сигнала по амплитуде, фазе, частоте; номинальной мощности и др.

Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления (передаточный коэффициент). Для усиления напряжения он вычисляется по формуле

Модуль «К» характеризует величину усиления аргумент

Характеризует сдвиг напряжения по фазе при усилении.

Если усилители имеют несколько каскадов, то тогда общий коэффициент усиления равен:

Электрический к.п.д. усилителя – это отношение переменной составляющей мощности Pn к постоянной составляющей Р.

Т.е. к мощности, потребляемой от постороннего источника

Полный (промышленный) КПД усилителя есть отношение

,

где P-мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания.

Инерционность усилителей- это время запаздывания в передаче управляющего сигнала при работе устройств в переходных режимах.

Диапазон усиливаемых частот- предел частот, в котором искажения усиливаемого сигнала не превышает допустимые значения. Этот показатель имеет первоочередное значение в устройствах связи при передачи звука и речи.

Искажение формы усиливаемого сигнала является основным показателем работы усилителей в автоматическом регулировании и в установках для передачи речи, а в других системах А и Т они менее существенны.

Искажения формы может быть 3-х видов: частотные, фазовые и нелинейные. Частотные искажения получаются из-за неодинакового усиления различных частот. Они характеризуются зависимостью к= (f)

Фазовые искажения определяются изменениями величины фазового сдвига усиливаемых напряжений или токов относительно входных величин, т.е. зависимостью угла сдвига фаз между векторами входного и выходного напряжений от частот (.

Нелинейные искажения изменяют форму кривой усиливаемых колебаний и вызываются нелинейными свойствами цепей.

Магнитные усилители

Это электромагнитные устройства, использующие нелинейную зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов на переменном токе от величины подмагничивающего (постоянного) магнитного поля для усиления входного сигнала, который и создает это подмагничивающее поле.

Наиболее простой вариант исполнения магнитных усилителей- это дроссель с двумя обмотками: управляющей W_y- питается постоянным током входного сигнала и рабочей W_p- питается переменным током, последовательно с которой включается нагрузка Z_н. При холостом ходе (ключ К разомкнут) постоянный ток в управляющей цепи отсутствует, сердечник намагничивается только током и находится в ненасыщенном состоянии. Магнитная проницаемость сердечника и индуктивное сопротивление рабочей цепи велики, ток и мощность, потребляемая нагрузкой, малы.

При включении const тока (ключ R замкнут). МУ переходит в рабочий режим. Его сердечник насыщается магнитным потоком const тока, магнитная проницаемость для ≈ тока и индуктивное сопротивление рабочей цепи уменьшаются , а ток и мощность, потребляема нагрузкой , резко возрастают.

Если кривая намагничивания материала сердечника обладает большой крутизной линейной части, то можно значительно изменить напряжение и мощность в нагрузке за счет небольших изменений величины входного сигнала.I_y, т.е. усиливать этот сигнал. Этот принцип и используется в магнитных усилителях, где ∆P_n > ∆P_y

Коэффициент усиления

K=(P_вых-P₀)/P_{у ,} где P_вых ­– вых. мощность;

P_у – мощ. на управление;

P₀ – мощность х. х.

Для усилителя с пермаллевым сердечником I_xx≈0 и P₀ ≈0, и

K= P_вых/ P_у=50+-250

Простейшая схема МУ обладает теми недостатками, что ≈ ток в нагрузке наряду с нечетными гармоническими содержит и четные, которые искажают форму кривой тока, и что в управляющей обмотке наводится переменная ЭДС, искажающая входной сигнал; для ее уменьшения ставит индуктивность L в цепи управления.

Четные гармоники тока в МУ меняют свою фазу при изменении направления подмагничивающего поля Ф₌. Поэтому обмотки постоянного и ≈ тока соединяются так, чтобы составляющие Ф₌ и Ф_≈ в одном из сердечников (или в одном из крайних стержней трехстержневого сердечника) совпадали по направлению, а в другом сердечнике (стержне) они имели противоположное направление.

Тогда между четными гармониками будет сдвиг фаз в 180˚

При параллельном соединении обмоток W_p в управляющей цепи ЭДС не наводится, т. к. в каждой обмотке W_y наводятся токи, одинаковые по величине и противоположные по знаку.

Ток в нагрузке равен сумме i` и i``, каждый из которых содержит четыре гармоники, по т.к. они сдвинуты на 180˚, то ток, протекающий по нагрузке, не имеет четырех гармоник. Недостаток данной схемы ­­- большая инертность МУ, т.к. параллельно соединенные обмотки W_p по отношению к постоянной составляющей магнитного потока представляют собой короткозамкнутую цепь. Эта схема применяется, если в нагрузке нужно исключить четные гармоники.

Если требуется быстрое реагирование на изменение входного сигнала, то обмотки W_p включаются последовательно. В этом случае ≈ ток нагрузке также не содржит четных кармоник.

Обмотки W_y включаются навстречу W_p, и нечетные гармоники индуктированной ЭДС компенсируются, а четные складываются.

Врезультате во входной цепи W_y появляется ЭДС удвоенной частоты, поэтму эти усилители используются как удвоители частоты.

В схеме МУ с обратной связью переменный ток обмотки W_p выпрямляется мостиком и подаётся обмотку обратной связи W_ос, что создаёт дополнительное подмагничивание IW_ос, которое увеличивает выходной ток и повышает коэф-т усиления до 3000-5000.

Серьезный недосаток МУ – их инерционность.

Конденсаторные усилители

В последнее время применяются конденсаторные усилители с прокладками из ферроэлектрического диэлектрика – титаната бария (BaTiO₃) или сегнетовой соли. Этиматериалыв отличие от обычных диэлектриков имеют нелинейную зависимость диэлектрической постоянной ξ и смещения D от электрического поля.

В принципе работы конденсаторного и магнитного усилителей многообщего, т.к. они испытывают падающую часть кривых μ=f(U) и ξ=φ(E).

Известно, что В= ξE, емкостное сопротивление X_c=1/(ωС), где С – емкость конденсатора.

Для плоского конденсатора С= ξS/d, где S-площадьпластин; d-расстояние между пластинами.

Если на конденсатор подать сигнал управления E_у , то на участке кривой АВ величина ξ падает, следовательно, емкость уменьшается, а емкостное сопротивление X_c=1/(ωС) возрастает.

Это свойство аналогично изменению магнитной проницаемости МУ и используется для получения эффекта усиления в цепи нагрузки.

Конденсаторный усилитель представляет собой мостовую схему в одну диагональ которой включается цепь уравновешивания, а в другую – источник ≈ тока с токовой стабилизацией и сопротивления нагрузки Z_н.

При отсутствии сигнала E_y (кл. К разомкн) сопротивление конденсаторов мало, через них проходит большой ток, а в цепи нагрузки течет малый ток I_н.хх.

При подаче сигнала E_y (кл. К замкнут) сопротивление конденсаторов возрастает ток уменьшатся; при условии I=const в цепи питания ток в цепи нагрузки I_н возрастает.

Достоинство конденсаторных усилителей – малаямощность управления (близка к нулю).

Недостаток – зависимость сопротивления от температур окружающей среды.