Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 29 страниц)

Что такое стабилизатор напряжения с полупроводниковым стабилитроном?

Схема стабилизатора напряжения с полупроводниковым стабилитроном представлена на рис. 6.18. Его работа аналогична работе стабилизатора с лампой тлеющего разряда. Изменения тока, протекающего через диод в нормальном диапазоне работы, велики, а напряжение на диоде почти постоянно, поэтому небольшие изменения вызывают большие изменения тока, благодаря чему протекающий через нагрузку ток и падение напряжения на ней остаются почти неизменными.

Полупроводниковые стабилитроны выпускаются в широком ассортименте для работы при различных напряжениях стабилизации, а также для стабилизации малых напряжений, для которых лампы тлеющего разряда не выпускаются.

Рис. 6.18. Стабилизатор напряжения с полупроводниковым стабилитроном

Что такое последовательный стабилизатор с электронной лампой?

Схема последовательного стабилизатора с электронной лампой показана на рис. 6.19. В этой схеме лампа работает как переменное сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. Сопротивление зависит от смещения на сетке, устанавливаемого падением напряжения на резисторе R. При мгновенном изменении напряжения на нагрузке изменяется также падение напряжения на резисторе R, тогда как падение напряжения на ионной лампе, подключенной к сетке лампы, поддерживается На постоянном уровне. Например, увеличение напряжения на сопротивлении R вызывает рост напряжения смещения, а следовательно, и рост сопротивления лампы, что приводит к увеличению падения напряжения на ней. Рост последнего вызывает уменьшение падения напряжения на нагрузке и возврат этого напряжения к его номинальному значению. При мгновенном уменьшении напряжения на нагрузке изменения падений напряжения будут происходить в направлении, противоположном описанному выше, а также вызовут возвращение напряжения на нагрузке до его номинального значения. На том же самом принципе основан процесс стабилизации при изменениях входного напряжения.

Рис. 6.19. Последовательный стабилизатор с электронной лампой и лампой тлеющего разряда (газотрон)

Что такое последовательный стабилизатор с регулировкой напряжения?

Схема подобного стабилизатора представлена на рис. 6.20. Напряжение на выходе регулируют изменением напряжения смещения на сетке лампы с помощью переменного резистора.

Рис. 6.20. Последовательным стабилизатор с регулировкой выходного напряжения

Что такое последовательный стабилизатор на транзисторе?

Схема такого стабилизатора представлена на рис. 6.21, а. Она соответствует схеме с лампой, показанной на рис. 6.19, с той разницей, что лампа тлеющего разряда заменена полупроводниковым стабилитроном, питаемым через резистор R. Разность между напряжениями на нагрузке и базе равна напряжению смещения перехода эмиттер – база. Последовательный стабилизатор на транзисторе с регулировкой напряжения показан на рис. 6.21, б. В нижнем положении движка потенциометра база соединена с массой (землей) и напряжение на нагрузке равно нулю. В верхнем положении движка переход коллектор – база закорачивается, а переход эмиттер – база представляет собой малое сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. При этом напряжение на нагрузке максимально.

Рис. 6.21. Последовательный стабилизатор с транзистором и полупроводниковым стабилитроном (а) и с регулировкой выходного напряжения (б)

Что такое последовательный стабилизатор с дополнительным усилителем?

Задачей дополнительного усилителя в схеме последовательного стабилизатора является усиление мгновенных изменений выходного напряжения, подводимого к сетке регулирующей лампы или к базе транзистора. Благодаря этому достигается значительно большее постоянство выходного напряжения, тем большее, чем больше коэффициент усиления усилителя. Иногда для увеличения усиления применяют дополнительные усилители, например двухкаскадные.

Что такое импульсный стабилизатор?

Импульсный стабилизатор – это схема, в которой элемент, включенный последовательно с нагрузкой (например, транзистор), периодически переключается в состоянии отпирания и запирания. Время отпирания элемента и, следовательно, выходное напряжение на нагрузке, подключенной только во время отпирания, зависят от мгновенного отклонения выходного напряжения от номинального значения. Таким образом достигается стабилизация постоянного выходного напряжения. На выходе такого стабилизатора необходимо применять фильтры, исключающие переменную составляющую, которая возникает в результате работы в прерывистом режиме. Полученное таким способом постоянное напряжение подводится к схеме, питаемой от подобного стабилизатора. Импульсный стабилизатор характеризуется большим КПД и малыми потерями энергии на тепло.

Как термистор применяется в схемах стабилизации?

Термистор является полупроводниковым резистором, сопротивление которого убывает с ростом температуры. На температуру термистора непосредственно влияет температура окружающей среды и косвенно – ток, протекающий через термистор. Чем больше ток, тем больше температура элемента и меньше сопротивление. Это позволяет использовать подобный элемент для стабилизации напряжения на нагрузке при изменениях температуры окружающей среды или выходного напряжения.

В схеме, представленной на рис. 6.22, уменьшение выходного напряжения вызывает уменьшение протекающего через термистор тока и, следовательно, рост его сопротивления. В свою очередь это вызывает рост тока, протекающего через сопротивление нагрузки, что препятствует уменьшению падения напряжения на нагрузке, несмотря на уменьшение выходного напряжения. Тем самым достигается стабилизация напряжения, действующего на нагрузке.

Рис. 6.22. Схема стабилизации напряжения термистором

Где в схемах стабилизации используют варисторы?

Варистор – это нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от напряжения. Протекающий через варистор ток в определенном интервале возрастает пропорционально 4—5-й степени подводимого напряжения. Варисторы, в частности, используются для стабилизации напряжения, действующего на нагрузке, при изменениях отбираемого этой нагрузкой тока (рис. 6.23, а) или для стабилизации напряжения на нагрузке при изменениях входного напряжения (рис. 6.23, б). По схеме рис. 6.23, а рост тока нагрузки увеличивает на мгновение падение напряжения на варисторе, в результате чего снижается его сопротивление и напряжение на нагрузке почти не изменяется. По схеме рис. 6.23, б увеличение входного напряжения вызывает рост тока варистора и убывание его сопротивления в такой степени, что выходное напряжение остается почти постоянным.

Рис. 6.23. Схемы стабилизации напряжения с варистором при изменениях:

_{а – тока нагрузки; б – выходного напряжения}

Что такое стабилизатор на магнитном усилителе?

Это стабилизатор переменного напряжения, использующий магнитный усилитель – устройство, состоящее из магнитного сердечника и обмоток переменного и постоянного тока. Стабилизацию выходного напряжения получают благодаря изменению магнитной проницаемости магнитного усилителя.

Что такое ферромагнитные и феррорезонансные стабилизаторы?

Это стабилизаторы переменного напряжения, действующие на принципе использования нелинейной характеристики намагничивания магнитных сердечников с обмоткой. При работе сердечника в режиме насыщения выходное напряжение изменяется в небольших пределах при относительно больших изменениях входного напряжения. В резонансных стабилизаторах используется явление последовательного или параллельного резонанса в цепи с дросселем с сердечником, работающим в области насыщения.

На каком принципе работает стабилизатор тока?

На таком же принципе, что и стабилизатор напряжения. Точно так же регулирующие элементы, применяемые для стабилизации тока, аналогичны тем, которые применяются для стабилизации напряжения. Другой является только схема взаимосоединений между нагрузкой и регулирующим элементом. Стабилизаторы тока в электронике применяются значительно реже, чем стабилизаторы напряжения, и чаще всего для измерения и в специальных целях. Их задачей является поддержание на постоянном уровне тока, протекающего через нагрузку, при изменениях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Какая схема у стабилизатора тока?

Схема стабилизатора тока с транзистором и полупроводниковым стабилитроном показана на рис. 6.24. При росте входного напряжения или уменьшений сопротивления нагрузки ток, протекающий через нагрузку, остается почти постоянным. Это следует из того факта, что напряжение база – коллектор транзистора поддерживается на постоянном уровне, в то же время изменяется напряжение между коллектором и эмиттером. При увеличении входного напряжения или уменьшении сопротивления нагрузки напряжение между коллектором и эмиттером возрастает настолько, что ток эмиттера и ток, протекающий через нагрузку, остаются практически постоянными. Рассматриваемый стабилизатор представляет собой для нагрузки источник тока.

Рис. 6.24. Схема стабилизации выходного тока на транзисторе и полупроводниковом стабилитрона

Какие методы защиты применяются в схемах питания?

Применяются различные методы защиты. Широкое применение находят плавкие предохранители, прерывающие протекание тока в схеме питания при длительной перегрузке или замыкании (повреждении) в цепи нагрузки. Часто используются инерционные предохранители, иначе называемые предохранителями с замедленным временем срабатывания. Они не вызывают перерыва в протекании тока в нагрузку во время коротких перегрузок, возникающих, например, в момент включения.

Применяются также схемы, автоматически ограничивающие отбираемый от схемы питания ток и не допускающие тем самым возникновения токовых перегрузок. Такие решения особенно пригодны при питании транзисторных схем и интегральных микросхем, которые на перегрузки реагируют быстрее, чем предохранители. Ограничение отбираемого транзисторными схемами тока защищает транзисторы от выхода из строя. Защитные схемы подобного типа иногда состоят из нескольких транзисторов.

Разработаны схемы, защищающие от появления перенапряжении в питающем напряжении, которые вызываются, например, искрением. Искрения особенно опасны для интегральных микросхем.

На чем основан процесс, обратный выпрямлению переменного напряжения?

Обратный процесс должен состоять в преобразовании постоянного напряжения в переменное. Подобная необходимость может возникать тогда, когда имеется источник в виде аккумулятора, а для питания устройства требуется переменное напряжение (электродвигатель переменного тока, устройство с сетевым трансформатором). Часто в том случае, когда необходимо увеличить постоянное напряжение, его сначала преобразуют в переменные колебания, затем с помощью трансформатора повышают, а потом выпрямляют.

Устройства, которые служат для преобразования постоянных напряжений и токов в переменные колебания, называются преобразователями постоянного тока. Существует несколько методов преобразования постоянного тока в переменный. Часто используются вибропреобразователи. Они состоят из колеблющегося прерывателя тока, который приводится в движение электромагнитом. Чаще применяются транзисторные преобразователи вибрационного типа, в которых не возникают механические колебания и связанное с этим искрение контактов. В этих преобразователях постоянный ток запускает генератор переменных колебаний. Напряжение генератора может быть повышено с помощью трансформатора. Часто транзисторный преобразователь применяется для преобразования постоянного тока одного значения в постоянный ток другого. При этом полученное с генератора-преобразователя переменное напряжение после повышения в трансформаторе подвергается выпрямлению.

Глава 7
НЕРЕЗОНАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Что такое усилитель?

Усилитель – это устройство, предназначенное для увеличения уровня электрического сигнала за счет энергии источника питания.

Как классифицируются усилители?

Классификацию усилителей можно проводить исходя из различных критериев. Сточки зрения усиливаемого электрического параметра (напряжение, ток, мощность) различают усилители напряжения, тока и мощности. В зависимости от диапазона усиливаемых частот они подразделяются на усилители постоянного тока (медленных электрических колебаний), низкой (звуковой) и высокой частот. Последние могут быть выполнены как широкополосные или нерезонансные усилители, предназначенные для усиления определенной полосы частот.

Существует много других методов деления усилителей на группы, которые, однако, в процессе их систематизации имеют меньшее значение. Различают, например, транзисторные и ламповые усилители классов А, В, С, у которых принадлежность к данному классу определяется положением рабочей точки на характеристике управления активного элемента; усилители, название которых зависит от их применения, а именно антенные усилители, видеоусилители и т. п.

Что такое нерезонансные усилители?

Нерезонансные усилители не содержат элементов, подлежащих подстройке. Это в основном усилители различного назначения. Их общей чертой является усиление сигналов с широкой полосой частот от постоянного тока или очень низких частот до частот 10–20 кГц или даже нескольких десятков мегагерц. Ясно, что нерезонансные усилители могут относиться к любой из ранее упомянутых групп, например, может быть усилитель звуковых частот, класса А, транзисторный.

Какую принципиальную схему имеет однокаскадный усилитель и каковы его основные параметры?

Однокаскадным называется усилитель, содержащий одни активный элемент: лампу, биполярный или полевой транзистор. На рис. 7.1 представлена принципиальная схема подобного усилителя. Помимо активного элемента, символически обозначенного прямоугольником, она содержит входную цепь с источником управляющего напряжения или тока, а также выходную цепь с сопротивлением нагрузки Z_н.

Рис. 7.1. Схема однокаскадного усилителя

Основными параметрами, характеризующими схему, являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление. В зависимости от рассматриваемой электрической величины различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Коэффициент усиления по напряжению – это отношение выходного напряжения к входному

K_u= u_вых/u_вх

Аналогично коэффициент усиления по току определяется отношением выходного тока к входному

K_i= i_вых/i_вх

Произведение этих величин дает коэффициент усиления по мощности, являющийся частным от деления выходной мощности на входную мощность.

K_p= P_вых/P_вх = u_вых·i_вых/u_вх·i_вх =K_u·K_i

Следует подчеркнуть, что полученная на выходе усилителя мощность всегда больше мощности, подведенной к входу усилителя.

Входное сопротивление равно отношению входного напряжения к входному току

Z_вх = u_вх/i_вх

а выходное сопротивление – отношение выходного напряжения выходному току

Z_вых = u_вых/i_вых

Значения всех указанных параметров зависят от вида используемого активного элемента (лампа, транзистор) нагрузки, а также схемы включения (схема ОЭ, ОБ или ОК). Чаще всего эти параметры являются функциями параметров активного элемента и сопротивления нагрузки.

Что такое частотная характеристика усилителя?

Это характеристика, изображающая зависимость коэффициента усиления от частоты входного синусоидального сигнала. В большинстве усилителей сигналы малы, причем высокие частоты усиливаются не так, как сигналы средних частот. Поскольку коэффициент усиления является комплексным, то изменению, по сравнению с входным сигналом, подвергаются как амплитуда, так и фаза выходного сигнала. Поэтому различают две частотные характеристики: амплитудно-частотную и фазочастотную характеристику, кратко называемые также амплитудной и фазовой характеристиками. Примеры подобных характеристик представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Амплитудная (а) и фазовая (б) характеристики усилителя переменного тока низкой частоты

При построении частотных характеристик по оси абсцисс откладывают частоту f или угловую частоту ω, а по оси ординат для амплитудных характеристик откладывают численные значения коэффициента усиления, а для фазовых – фазовый угол в градусах или радианах. Удобнее воспользоваться логарифмической шкалой. Тогда по шкале абсцисс откладывают не частоту, а ее десятичный логарифм (lg f), а по оси ординат – коэффициент усиления, выраженный в децибелах. Амплитудная и фазовая характеристики определяют способность усилителя пропускать сигнал с определенным частотным спектром.

Для усилителя звуковых частот представляет интерес амплитудная характеристика; а фазовая не играет существенной роли, поскольку человеческое ухо не реагирует на небольшие фазовые сдвиги звуковых сигналов. Иначе обстоит дело для видеоусилителя. Фазовая характеристика имеет такое же значение, как и амплитудная, поскольку человеческий глаз реагирует на малые фазовые сдвиги отдельных составляющих сигнала изображения.

Что такое ширина полосы пропускания усилителя?

Из-за того что усилитель не усиливает одинаково сигналы различных частот, возникает необходимость уточнения способности усилителя усиливать определенные полосы частот. Эта способность выражается с помощью ширины полосы, определяемой как разность частот между двумя точками амплитудной характеристики, для которых коэффициент усиления на 3 дБ меньше, чем на средних частотах. Одна из этих точек, расположенная в этой части характеристики отражает в диапазоне более низких частот, соответствует на оси частот нижней граничной частоте f_н (рис. 7.3), тогда как другая точка – соответственно верхней граничной частоте f_в. Разность этих частот и является шириной полосы пропускания, которую обычно обозначают буквой В или Δf:

Δf = В = f_в – f_н

Рис. 7.3. Амплитудная характеристика низкочастотного усилителя с граничными частотами f_н и f_в

Точки на амплитудной характеристике, в которых усиление (по напряжению и по току) снижается на 3 дБ, называются точками половинной мощности, поскольку соответствующая им мощность уменьшается в 2 раза.

В зависимости от применения усилители могут иметь различную ширину полосы пропускания. Полоса пропускания усилителей звуковых частот, используемых, например, в радиоприемниках и электроакустических устройствах, лежит в полосе от нескольких десятков герц до 10–20 кГц, тогда как в видеоусилителях, предназначенных для усиления сигналов изображения с широким частотным спектром, – от нескольких герц до нескольких мегагерц (например, 6 МГц).

Оба упомянутых усилителя относятся к усилителям типа фильтров нижних частот, поскольку пропускают сигналы с очень низкими частотами. Именно поэтому в подобных усилителях за ширину полосы пропускания принимают значение верхней граничной частоты f_в, поскольку разность верхней и нижней граничных частот f_в – f_н незначительно меньше частоты f_в.

Что понимается под терминами: диапазоны низких, средних и высоких частот усилителя?

При анализе изменения коэффициента усиления усилителя в функции частоты удобно разделить весь диапазон частот, пропускаемых усилителем, на три поддиапазона: низких, средних и высоких частот. Диапазон низких частот простирается от нуля до частоты, в 10 раз большей нижней граничной частоты f_н. В этом диапазоне амплитудная характеристика обычно спадает при уменьшении частоты.

Аналогично диапазон высоких частот охватывает область от частот, в 10 раз меньшей верхней граничной частоты вплоть, до f_в. В этом диапазоне амплитудная характеристика также спадает, но при увеличении частоты. Между указанными диапазонами располагается диапазон средних частот, в котором амплитудная характеристика плоская. Следует подчеркнуть, что термин «диапазон высоких частот» означает частоты, большие по сравнению со средними частотами. В действительности, например в случае усилителей звуковых частот, эти частоты могут быть малыми, около нескольких килогерц.

Что такое искажения, вносимые усилителем?

Искажением называется изменение формы сигнала после прохождения этого сигнала через усилитель. Если форма выходного сигнала отличается от формы входного, то говорят, что усилитель вносит искажения. Очевидно, что изменение значения амплитуды но является искажением. Различают два основных вида искажений – линейные и нелинейные.

Что такое амплитудные линейные искажения усилителя?

Усилитель вносит в сигнал линейные амплитудные искажения в том случае, если ширина его полосы пропускания оказывается недостаточной по отношению к частотному спектру усиливаемого сигнала. Электрические сигналы могут иметь различную форму синусоидальную, прямоугольную, трехугольную, пилообразную и т. п.

Каждый из этих сигналов можно представить как сумму синусоидальных сигналов: сигнала основной частоты f и гармонических сигналов, частоты которых являются кратными основной частоте, т. е. равны 2f, 3f и т. д. Для правильного представления (воспроизведения) сигнала сложной формы обычно достаточно десяти гармоник сигнала основной частоты. Например, если усиливается прямоугольный сигнал с частотой 15 кГц, то ширина полосы пропускания усилителя должна составлять 150 кГц. В этом случае на выходе усилителя также получим прямоугольный сигнал. Если бы полоса пропускания усилителя составляла 15 кГц, на выходе вместо прямоугольного колебания мы бы получили синусоидальное колебание с частотой 15 кГц (рис. 7.4).

Высшие гармонические составляющие сигнала усилителем не были бы пропущены. При более широкой полосе усилителя, например 50 кГц, выходной сигнал был бы уже более похож на прямоугольный сигнал, и лишь при полосе усилителя, соответствующей спектру сигнала, наблюдается воспроизведение на выходе входного сигнала. Следовательно, линейные амплитудные искажения наблюдаются в том случае, когда коэффициент усиления усилителя не является постоянным в достаточно широком диапазоне частот.

Рис. 7.4. Электрические колебания на входе и выходе усилителя:

_{а – входное прямоугольное колебание с частотой 15 кГц, б и в – колебания на выходе усилителя с шириной полосы соответственно 15 и 150 кГц}