Лекции радиотехника и электротехника. ЛЕКЦИИ_КОЛОДЕЖ_ЮВ_Электротехника_и_электроника. Москва 2012 Содержание

• Название: Москва 2012 Содержание
• Анкор: Лекции радиотехника и электротехника
• Дата: 26.11.2022
• Размер: 4.47 Mb.
• Имя файла: ЛЕКЦИИ_КОЛОДЕЖ_ЮВ_Электротехника_и_электроника.doc
• Тип: Лекция; #814027
• страница: 11 из 14

Лекция 9

Аналоговые устройства электроники

Аналоговые устройства - это устройства, работающие в аналоговом режиме, то есть используют рабочие характеристики в виде аналитических функций. Рассмотрим работу некоторых таких устройств.

Источники питания электронных устройств. Выпрямители переменного тока и стабилизаторы

Радиоэлектронные устройства требуют для своей работы специальные источники питания (постоянное и невысокое напряжение, ограничение по пульсациям напряжения или тока и др.). Эти источники питания получили название вторичных источников питания. При рассмотрении работы выпрямительного диода (лекция 6) говорилось, что на выходе диода получается пульсирующее напряжение одного знака, то есть ток в нагрузке не будет менять своего направления. Такое выпрямление не эффективно, так как используется в нагрузке одна полуволна входного тока.

Двухполупериодная схема выпрямления.

Здесь будет рассмотрена четырёх диодная схема, или мостовая. Она получила наибольшее распространение. Нужное значение напряжения на нагрузке создаёт вторичная обмотка трансформатора. (Рисунок а)



Рисунок 46

Мостовая схема и осциллограммы тока через первый и второй диоды
На рисунке 46, б верхний график показывает синусоидальный характер изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Это напряжение создает синусоидальный ток. Положительная полуволна (I₁) этого тока проходит через диоды 1 и 3, включённые к ней в прямом направлении. Следующая отрицательная полуволна (I₂) пройдет через диоды 2 и 4, включённые к ней в прямом направлении. В результате на нагрузке получается пульсирующий ток (нижний график). Пунктиром показано сглаженное напряжение на нагрузке при наличии сглаживающего фильтра.

Частотные электрические фильтры

На рисунке 47а представлена схема П-образного фильтра, применяющегося для сглаживания пульсаций в нагрузке R. Его работа основана на двух явлениях:

• 
  Частотной зависимости реактивных сопротивлений ёмкостного и индуктивного;
  
• 
  Переходных процессах в электрических цепях.
  

Рисунок 47

Сглаживающий фильтр
Конденсатор, стоящий на входе фильтра, ёмкостью С₁ имеет малое сопротивление для высокочастотной составляющей пульсирующего входящего в фильтр тока, (смотри страницу 15 и 16), эта же высокочастотная составляющая встречает большое сопротивления дросселя с индуктивностью L. Таким образом, высокочастотная составляющая пульсирующего тока в нагрузку не попадет (замыкается через С₁), а благодаря индуктивности L дросселя, низкочастотная составляющая проходит через дроссель и заряжает конденсатор С₂ , параллельно которому подключена нагрузка R, следовательно напряжение на нагрузке равно напряжению на конденсаторе С₂. По законам переходных режимов конденсатор не может зарядиться мгновенно. При большой ёмкости конденсатора С₂ зарядка и разрядка (на убывающем участке полуволны пульсирующего тока) может занять по времени больше, чем четверть периода, что приведёт к очень значительному уменьшению пульсаций напряжения на нагрузке (смотри рисунок 46 б).

Стабилизаторы Простейшие параметрические стабилизаторы были рассмотрены ранее, когда говорилось о работе диодов.

Усилители электрических сигналов

Усилители предназначены для усиления входного сигнала. Известно большое многообразие усилителей, отличающиеся по назначению, по мощности, по коэффициенту усиления, по качеству усиления (на сколько усиленный сигнал искажён по сравнению с входным) и другим параметрам.

Структура усилителя

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями

В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Суть обратной связи в том, что малая часть выходного сигнала снова подаётся на вход, корректируя работу усилителя. Отрицательные обратные связи уменьшают коэффициент усиления, но позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы,) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики.

Некоторые усилители, обычно УВЧ (усилители высокой частоты) радиоприёмных и радиопередающих устройств, оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.

Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.

В качестве усилительных элементов обычно используются транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.

Усилительный элемент – транзистор обеспечивает усиление сигнала, поэтому понять принцип усиления просто, достаточно взглянуть на характеристики, например, полевого транзистора


Рисунок 48 Входные и выходные характеристики

Слева приведены выходные характеристики. В зависимости на какой их них (а они задаются напряжением U_зи) и в каком месте находится рабочая точка будет определённый режим работы усилителя, соответствующий режиму работы транзистора.


а б в

Рисунок 49 Классы работы усилителя

Рис. 49 а рабочая точка на линейном участке характеристики, активный режим, класс работы усилителя называется «класс А»

Рис. 49 б рабочая точка находится в самом начале характеристики, режим отсечки, класс работы усилителя называется «класс В»

Рис. 49 в тоже режим отсечки, но пропускается только верхушка синусоиды, класс работы усилителя называется «класс С»

Специальные виды усилителей

• 
  Дифференциальный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа.
  
• 
  Операционный усилитель — многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью.
  
• 
  Инструментальный усилитель — предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала.
  
• 
  Масштабный усилитель — усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью.
  
• 
  Логарифмический усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала
  
• 
  Квадратичный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала
  
• 
  Интегрирующий усилитель — усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала
  
• 
  Инвертирующий усилитель — усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)
  
• 
  Парафазный (фазоинверсный) усилитель — усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений
  
• 
  Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал
  

Генераторы сигналов

Генераторы гармонических колебаний

Для получения гармонических колебаний (синусоидальных) необходим первичный источник таких колебаний. Например, им может служить колебательный контур, в котором возникают из-за обмена энергией между индуктивностью и ёмкостью затухающие гармонические колебания. Скорость затухания зависит от сопротивления R, сопротивления потерь в контуре (см. рис. 55). Чтобы получить незатухающие колебания, то есть генератор гармонических колебаний, в контур нужно от внешнего источника добавлять энергию, причём ровно столько сколько теряется (рассеивается на сопротивлении). Это условие называется баланс амплитуд. Добавлять энергию нужно строго в такт колебаниям. Это условие называется баланс фаз. Реализуются эти условия с помощью обратных связей. Таким образом, генераторы можно считать усилителями, охваченными положительной обратной связью, сигнал которой подается с выхода на вход в фазе с входным, то есть увеличивает входной сигнал. Существует множество схем генераторов гармонических колебаний.

Генераторы сигналов специальной формы

Здесь под специальной формой сигнала понимаются часто используемые сигналы прямоугольной формы или разного вида треугольной формы. Такие формы можно получить, если устройство, генератор, работает в специальном режиме, называемом переходный режим. Переходный режим – это режим, во время которого любая система переходит из одного установившегося (принуждённого) режима в другой новый, который должен установиться. Такой переход по законам инерции не может произойти мгновенно.

Кратко рассмотрим.

Переходные процессы в электрических цепях

В электрических цепях переходные процессы начинаются, когда в цепи что-то включается или отключается, то есть происходит коммутация, и начинается переход в новый режим работы. Переходный режим это нестационарный режим и его параметры зависят от времени и, следовательно, описывается этот режим дифференциальными уравнениями, а ограничивается Законом коммутации. Закон коммутации это третий основополагающий закон электротехники вместе с законом Ома и законами Кирхгофа.

Закон коммутации

Закон коммутации гласит: ток в индуктивности и напряжение на ёмкости в момент коммутации не могут измениться скачком. То есть в момент времени t = 0 (момент коммутации) они должны быть равны значению до коммутации. Это вытекает из энергии, которая накапливается в ёмкости или индуктивности.
W_L= W_C=

Если ток в индуктивности L измениться скачком, то есть за время равное нулю, то и энергия должна измениться скачком, а это бесконечно большая мощность, что реально не возможно. То же касается напряжения на ёмкости.

Характеристики переходного процесса

Решение дифференциального уравнения, описывающее переходный процесс в цепи первого порядка, содержащей только одну ёмкость или только одну индуктивность показывает, что изменение значений переходных токов и напряжений во времени происходит по экспоненте, стремящейся к конкретному значению. Решение дифференциального уравнения имеет вид (смотри курс математики: решение дифференциальных уравнений первого порядка)



Где i_У – частное решение, или новое установившееся значение тока (то есть, чем закончится переходный процесс)

i_св – общее решение, или свободный ток переходного процесса, показывает как будет проходить процесс;

А – постоянная интегрирования.


Рисунок 50 Переходный процесс в цепи RL

Как видно из приведённых графиков переходный ток i в индуктивности до коммутации был равен нулю (ключ разомкнут), затем плавно нарастает (рисунок 50б), что согласуется с законом коммутации – скачка нет. Напряжение на индуктивности законом коммутации не ограничивается и делает скачёк (рисунок 50в).

Показатель степени экспоненты (- t/τ) показывает скорость её изменения, τ=L/R называется постоянная времени переходного процесса (очень важный параметр). Считается, что время протекания переходного процесса составляет (3-5)τ, а значение переходной величины при t=τ составляет (всегда) 63% от нового принуждённого значения.

То же касается зарядки и разрядки ёмкости.



Рисунок 51 Переходный процесс в цепи RC

Как видно из приведённых графиков переходное напряжение на ёмкости u_с до коммутации было равно нулю (ёмкость до коммутации не была заряжена), затем плавно нарастает (рисунок 51б), что согласуется с законом коммутации – скачка нет. Ток через ёмкость законом коммутации не ограничивается и делает скачёк до (рисунок 51б). Постоянная времени цепи τ=RC. Из графика изменения тока можно сделать вывод (основываясь на законе Ома), что сопротивление ёмкости за время переходного процесса меняется от нуля при t=0 до бесконечности при t=5τ, при условии, что ёмкость до коммутации заряда не имела.

Аналогично для сопротивления индуктивности. При t=0 оно равно бесконечности, а при t=5τ равно нулю. Индуктивность постоянному току сопротивления не оказывает.

Закон Ома для нестационарного режима

U_L(t)=L напряжение на индуктивности пропорционально скорости изменения тока в индуктивности

I_C(t)=C ток через ёмкость пропорционален скорости изменения напряжения на ёмкости

U_R(t)=I(t)R напряжение на резисторе повторяет форму изменения тока, то есть на резисторе переходного процесса нет.

Интегрирующие и дифференцирующие цепи

На рисунке 52 представлена интегрирующая цепь. Она представляет собой видоизменённую схему, изображённую на рисунке 51, которая из 2-х полюсника стала 4-х полюсником – появился вход и выход. Выходной сигнал (напряжение) снимается с ёмкости. При подаче импульса напряжения на вход цепи (это равносильно включению ёмкости на постоянное напряжение) ёмкость начнет накапливать заряд, и накопление (суммирование, интегрирование) будет происходить по экспоненциальному закону, соответственно, и напряжение на нем будет нарастать по экспоненте от нуля до своего максимального значения. Его значение можно определить по формуле

U_вых = U₀(1 - e^-t/τ)


Рисунок 52 Интегрирующая цепь

Если входной сигнал будет в виде импульсов, то на выходе получается пилообразное напряжение: заряд конденсатора, разряд конденсатора. Очень похожая картинка для гармонического сигнала изображена на рисунке 46 б (штриховая линия напряжения ). На рисунке 47 конденсаторы и выполняют функции интегрирования.

Если на рисунке 52 поменять местами резистор R и ёмкость С, то получим дифференцирующую цепь. Один и тот же ток будет и в ёмкости и резисторе, а напряжение на резисторе будет повторять форму тока. Формы входного и выходного напряжения представлены на рисунке 53. Если на вход подать последовательность прямоугольных импульсов, а постоянную времени τ цепи взять значительно меньше длительности импульса, то на выходе получится последовательность положительных и отрицательных импульсов, имеющих очень короткое время нарастания переднего фронта (из-за скачка тока в ёмкости). Эта характеристика очень важна для цифровой техники.

Если напряжение на входе отключается, то скачёк в отрицательную сторону.


Рисунок 53 Дифференцирующая цепь
Аналогичные цепи можно построить на тех же принципах на элементах R и L.

Мультивибратор

Под мультивибратором понимают релаксационный генератор импульсов, который представляет собой двухкаскадный электронный усилитель с резисторно-емкостной связью (на рис. 54 ), охваченный положительной обратной связью, работающий в переходном режиме. Мультвибратор дает сигнал очень сложной формы, обычно похожий на прямоугольник. Частота колебаний мультивибратора зависит от величин емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, входящих в цепи обратной связи. Мультивибратор, имеющий одно состояние устойчивого равновесия, из которого он под действием внешнего запускающего импульса скачкообразно переходит в новое состояние и затем возвращается в состояние равновесия, называется ждущим. В зависимости от схемы построения различают симметричные и несимметричные мультивибраторы. Мультивибраторы широко используются в технике и быту. Получить мультивибратор можно из обычного простого усилителя звуковой частоты на двух транзисторах, включив конденсатор С₁ между его входом и выходом (рис. 54)


Рисунок 54 Принципиальная схема 2-х каскадного усилителя звуковой частоты (соединительный провод, включенный в разъемы XI и ХЗ) превращения его в мультивибратор

Переходные процессы в цепи, содержащей RLC

Переходный процесс в цепи, содержащей RLC (сопротивление, индуктивность и ёмкость) описывается дифференциальным уравнением второго порядка. Общее решение может иметь три разных вида, то есть в цепи второго порядка возможны три разных вида переходных процессов. На рисунке 55а изображена электрическая цепь второго порядка.



а б

Рисунок 55 Колебательный переходный процесс

ЭДС в момент времени t=0 создаёт скачок напряжения Е₀ . По окончании переходного процесса ёмкость должна зарядиться до напряжения Е₀. На рисунке 55б показан колебательный характер переходного процесса с частотой колебаний ω₀= . (Сравни с формулой для определения резонансной частоты в колебательном контуре). Колебания возникают из-за обмена энергией между ёмкостью и индуктивностью.

Характер процесса зависит от соотношения сопротивлений в контуре. Сопротивление R определяет потери в контуре. Если потери большие, то процесс быстро затухнет и будет проходить по экспоненте. Если потерь не будет R=0, то не будет и переходного процесса, будут незатухающие колебания, связанные с обменом энергиями между ёмкостью и индуктивностью. С увеличением значения R колебания начнут затухать и при каком-то значении R , первая полуволна пересечёт значение Е₀ всего один раз, снизу вверх, а дальше процесс практически закончится. Такой характер переходного процесса называется критическим. Он как бы вышел на колебательный (один раз пересёк Е₀ ), но колебательным не стал. При дальнейшем увеличении R процесс станет апериодическим и ни разу не пересечёт уровень установившегося значения Е_0. То есть, процесс будет по форме такой же, как в цепи первого порядка.