Что такое операционный усилитель? Усилители сигнала используются в радиотехнической промышленности в совокупности с слабосильными передатчиками. Грамотно подключенный усилитель позволяет повышать мощность сигнала в сотни, тысячи и десятки тысяч раз. Для того, чтобы разобраться в принципах работы этих устройств рассмотрим наиболее распространенные варианты: усилители операционные, вакуумные и магнитные.
Операционный усилитель
Чтобы понять, что такое и как работает операционный усилитель, ознакомимся с базовой информацией о нем.
Схемы операционного усилителя
Базовая информация
Это продукт гением советской промышленности. По факту это наиболее распространенный в настоящий момент аппарат, поскольку он позволяет получить существенные усиления сигнала: порядка 40 – 50 тысяч. Что это значит? Если после передатчика идет сигнал мощностью 0,04 Вт, на выходе получится около 16 кВт. Актуально использование таки усилителей для больших радиостанций.
Для большей части радиолюбителей изучение принципов работы операционного усилителя не имеет смысла. Проще воспринимать этот прибор как черный ящик, который делает свое дело. Как именно? Большую часть людей это не волнует. Зато большое значение оказывает реальная польза устройства и умения по настройке прибора. Поэтому, разберем на пальцах основной принцип работы устройства, не углубляясь в дебри теории. Поскольку выкладок для объяснения работы операционного усилителя хватит на написание небольшой монографии.
Принцип работы
Принцип работы операционного усилителя следующий: в базовой комплектации усилитель имеет два входа: инверсионный и не инверсионный. В зависимости от способа подключения возможны следующие варианты работы устройства:
- Инвертирующий. Этот режим позволяет изменить полярность тока.
- Неинвертирующий. Этот режим отвечает за повышение численных параметров.
- Дифференционный. Это совмещенный режим, позволяющий одновременно изменить полярность и величину напряжения на входе. Однако при этом требуется подключение дополнительных источников питания.
Операционный усилитель можно считать примером простейшей автоматики. Большой функционал в итоге привел к появлению в составе прибора трех блоков, каждый из которых отвечает за свой режим работы. Само устройство представляет собой сеть мини транзисторов.
Вкратце работа прибора выглядит так: сравниваются токи на входе и параметры тока питания. Цель усилителя в данном случае: выровнять два сигнала, приведя их к некоторому общему значению. Для каждого из режимов существует своя схема подключения, которая помимо прибора включает в себя несколько резисторов, необходимых для работы прибора.
Вакуумные усилители.
Чтобы понять принцип работы вакуумного усилителя, необходимо вспомнить или изучить понятия диод и триод.
Вакуумный усилитель
Диод и триод
Чтобы говорить о принципах работы вакуумного усилителя, придется вспомнить, что такое диод и триод. Диодом в общем случае называют лампу, которая состоит из двух элементов: анода и катода. Анод подключается к положительному полюсу питания, катод к отрицательному. В итоге между двумя полюсами возникает разность потенциалов, проще говоря – напряжение. Лампа загорается.
В работе диода существует весомая проблема. Катод представляет собой трубку, в которую помещается анод. Электроны перебегают в вакуумном пространстве от катода к аноду. Отсюда и название усилителя – вакуумный. В результате образуется электронное облако, которое примерно 2/3 электронов отправляет обратно к катоду.
Здесь и кроется самый интересный момент истории с диодом: чтобы усилить электрический ток в диоде нужно установить третий элемент: управляющую сетку. Эта спираль, которая наматывается вокруг анода. На спираль подают небольшое отрицательное напряжение в несколько вольт. В результате спираль на малых расстояниях создает столь сильное поле, что все электроды потока катод-анод оседают на аноде. В результате мы имеем увеличение сигнала.
Сеточные токи
Однако, подобный усилитель имеет крайне большую проблему: при подаче на сетку не положительного, а отрицательного напряжения, электроды оседают на сетке. Этот случай называется запиранием. Ток может вообще прекратить свой путь к аноду, полностью перетекая в сетку. В условиях радиотехники это означает потерю сигнала.
Поэтому триодные вакуумные усилители используют только в условиях работы с отрицательным напряжением. В комплект к устройству в обязательном порядке подключают резистор с нагрузочным напряжением. Система из нескольких резисторов и вакуумного триода и называется вакуумным усилителем.
Интересно, что повышающий коэффициент устройства мал относительно операционной схем. Но далеко не всегда в радиотехнике требуется усиление сигнала в десятки тысяч раз. Для вакуумных усилителей нормой считаются значения в 200-300 раз.
Магнитные усилители
Это другой вид усилителя. Чтобы понять принцип работы магнитного усилителя, изучим все сведения о нем.
Магнитный усилитель
Общие данные
Принцип действия магнитных усилителей основан на способности ферромагнетиков издавать меньшее по силе магнитное поле при насыщении. Этот прибор представляет собой три катушки. Из них одна – центральная является управляющей, две другие – рабочими. Рабочие катушки подключаются к потребителю, управляющая к источники питания.
Свое распространение магнитные усилители получили благодаря огромному количеству положительных качеств:
- Дешевизне производства. Фактически любой любитель может дома изготавливать подобные конструкции в любых количествах.
- Чувствительности. Любое изменение микротока сразу же изменяет проходящий сквозь усилитель сигнал. Это достигается за счет взаимно связанных процессов электроиндукции в катушке.
- Пожаробезопасности. Усилитель представляет собой простой сердечник с медной обмоткой. Здесь банально нечему гореть.
- Широкий спектр рабочих значений. Усилитель может работать с параметрами от нескольких сотых Вт до нескольких сотен Вт.
Все это в совокупности делает магнитные усилители достаточно частым решением в радиотехнике средних и малых размеров.
Принцип работы
Предположим, что в нулевой момент времени, ток от абонента не поступает. В этом случае, сердечник управляющей обмотки находится в ненасыщенном состоянии. При этом сопротивление на управляемых катушкам максимально.
Как только сквозь боковые катушки начинает проходить сигнал от потребителя – ситуации меняется. Чем сильнее сигнал, тем выше насыщение центрального сердечника, тем меньшее магнитное поле он генерирует. Как результат в боковых сердечниках значительно уменьшается сопротивление, вызванное индукционными токами.
Уменьшение сопротивления приводит к росту силы тока. Таким образом и получается оказывать усиливающее действие за счет изменения магнитной насыщенности центрального сердечника.
Какой усилитель лучше?
В радиотехнике, как и в любой другой точной науке, нет ничего однозначно хорошего или однозначно плохого. Все зависит от конкретных условий. Нужно выбирать исходя из опыта радиолюбителя и потребностей машины. Ни к чему ставить сложный операционный усилитель на бытовые приемники. Зато сюда отлично подойдет вакуумное триодное устройство.
Однако в общем случае, все чаще выбирается магнитный усилитель, как наиболее оптимальный вариант, легкий в настройке и надежный в работе.