книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

этого является то, что коэффициент усиления каскада, работаю­ щего на следующий каскад, не остается таким же, как у отдель­ ного, самостоятельного каскада, а уменьшается. Уменьшение усиления происходит потому, что цепь, состоящая из последова­

грузки лампы Лг, вследствие чего понижается и коэффициент уси­ ления каскада. Степень понижения усиления каскада зависит от

сетки II каскада RC2 п сопротивления переходного конденсатора Ср току усиливаемой частоты. Главное значение имеет величина RC2: чем меньше величина этого сопротивления, тем меньше коэф­ фициент усиления каскада.

Отдельный каскад на лампе 6Н9С (ц = 70) при том режиме, при каком он используется в упомянутом выше усилителе, имеет коэффициент усиления приблизительно 60. I и II каскады этого усилителя работают на каскады, имеющие сопротивления утечки

работает на фазочувствительный каскад (усилитель мощности), сопротивление утечки сеток которого RCi = 0,15 мгом, и, кроме того, имеются значительные сеточные токи. Поэтому и коэффи­ циент усиления III каскада меньше, чем у двух первых (кз = 25).

Коэффициент усиления усилителя с емкостной связью не остается постоянным с изменением частоты усиливаемого перемен­ ного напряжения: на крайних высоких и крайних низких частотах усиление резко падает. Это объясняется влиянием переходной емкости Ср и входной емкости следующей лампы. Входной емкостью лампы называется емкость сетка — катод и емкость монтажных проводов и деталей сеточной цепи по отно­ шению к цепи катода. Входная емкость ГБХ II каскада на схеме рнс. 60 обозначена пунктиром.

Диапазон частот, усиливаемых усилителем с емкостной связью, определяется величиной этих емкостен. Величина емкости Гр влияет на нижний предел полосы пропускаемых частот: чем больше емкость Гр, тем меньше ее сопротивление токам низкой частоты, тем ниже частота, которая может быть усилена усили­ телем. Величина емкости СБХ определяет верхний предел усили­ ваемых частот, так как она шунтирует промежуток сетка — катод лампы и понижает напряжение тех частот, для которых она имеет малое сопротивление.

Электронные усилители, применяемые в приборах контроля и автоматизации, обычно предназначены для усиления не широкого диапазона частот, как в радиовещании и телевидении, а для уси­ ления какой-нибудь одной определенной частоты, чаще всего

101

низкой, например 50 щ. В этом случае снижение коэффициента усиления при работе на более высоких частотах даже выгодно, так как при этом уменьшается возможность возникновения само­ возбуждения усилителя (генерации) и работа усилителя делается более спокойной. С этой целью иногда в усилителях применяют специальные фильтры, которые пропускают только рабочую ча­ стоту. Такой усилитель усиливает только одну определенную частоту.

В усилителях, рабочей частотой которых является техниче­ ская частота — 50 гц, в качестве переходных емкостей чаще всего применяются конденсаторы емкостью 0,04—0,05 мкф. Со­ противление такого конденсатора току рабочей частоты равно примерно 64—77 ком, что по сравнению с сопротивлениями анод­ ной нагрузки и утечки сетки является величиной небольшой и не вызывает значительных потерь усиливаемого напряжения при передаче с одного каскада на другой.

При усилении одиночных импульсов тока, что соответствует усилению очень низкой частоты, используются переходные кон­ денсаторы емкостью несколько микрофарад.

Величину сопротивления Rc2, вообще говоря, выгодно брать как можно большей, так как с ростом R02 увеличивается коэффи­ циент усиления каскада, но она ограничивается следующими обстоятельствами.

Переходной конденсатор Ср всегда имеет некоторое конечное омическое сопротивление за счет утечек в диэлектрике. Сопроти­ вление это очень большое, обычно измеряется сотнями мегом. Это сопротивление вместе с сопротивлением Ro2 является для анодного напряжения лампы I каскада Л\ делителем, причем на Rc2 падает такая часть анодного напряжения, какую часть R c2 составляет от суммы величин этого сопротивления и сопротивле­ ния утечки переходного конденсатора.

При очень большой величине сопротивления Rc2 падение на­ пряжения анодной батареи на нем может быть столь значитель­ ным, что на сетке второй лампы появится положительный потен­ циал, который сделает невозможной ее нормальную работу. Кроме того, при очень большой величине сопротивления R c2 электроны не будут успевать стекать с сетки на катод, особенно при подаче на сетку сигналов большой величины, когда потен­ циал сетки может значительно повышаться. В этих случаях лампа может «запираться», т. е. на некоторое время терять способность усиливать подводимое к ней напряжение. Эти обстоятельства

стрелками показаны пути переменной составляющей тока III ка­ скада. Большая часть тока будет проходить через источник анод­ ного питания Еа (большие стрелки), но так как этот источник имеет некоторое сопротивление переменному току, то часть его ответвляется и проходит по анодным нагрузкам, переходным

102

конденсаторам и сопротивлениям утечки первых двух каскадов (малые стрелки). Вследствие этого осуществляется обратная связь, которая приводит к неустойчивой работе усилителя, самовозбу­ ждению его.

Для устранения этого явления, для «развязывания» анодных цепей усилителя источник анодного питания Е о шунтируется блокировочным конденсатором Сб , который понижает его сопро-

Рис. 61. Образование связи между каскадами через источ­ ник анодного питания (а) и «развязывание» анодных цепей при помощи «развязывающих» фильтров (б).

тивление переменному току (рис. 61, б), а в анодные цепи первых каскадов включают специальные «развязывающие» фильтры, со­ стоящие из сопротивления (Дф1 и Лф2) и конденсатора (Сф1 и Сф2). Значения величин сопротивления и емкости элементов «развязы­ вающего» фильтра выбирают такими, чтобы для переменного тока рабочей частоты сопротивление конденсатора Сф было значи­ тельно меньше величины сопротивления R ф .

Обычная величина Сф в усилителях низкой частоты — не­ сколько микрофарад, — несколько десятков килоом.

103

На рис. 61, б показаны включение анодных «развязывающих» фильтров и направление переменной составляющей анодного

лирования коэффициента усиления. В простейшем случае это достигается тем, что сопротивление утечки сетки одного из ка­ скадов делается в виде переменного сопротивления (i? 0 3 на рис. 61, б). Это позволяет подавать на сетку данной лампы лю­ бую часть переменного напряжения с предыдущего каскада. Иногда такое переменное сопротивление ставят на входе усили­ теля, в цепи сетки первой лампы.

Недостатком усилителей с емкостной связью, из-за которого невозможно их применение в ряде случаев, является то, что при

1(12 ^~П‘’

Рис. 62. Усилитель с непосредственной связью.

частоте, близкой к нулю, коэффициент усиления усилителя также равен нулю, так как конденсаторы не пропускают медлен­ ных изменений напряжения.

В измерительной технике очень часто применяют постоянные напряжение и теки, медленно изменяющие свою величину. На­ пример, псстояннсе напряжение дают термопары, электроды для измерения концентрации водородных понов (pH) растворов, некоторые фотоэлементы и т. д. Для усиления подобных напря­ жений и токов применяются усилители с непосредственной связью и л и , как их часто называют, усилители постоянного тока.

Усиление при частоте, равной нулю, возможно лишь в том случае, если связь между каскадами осуществлена при помощи цепи, сопротивление которой от частоты не зависит, т. е. не имеет реактивных элементов. Такой связью является непосредственное, как говорят, гальваническое соединение анода лампы предыду­ щего каскада с сеткой последующего.

При этом возникает необходимость обеспечить нормальный режим сетки лампы последующего каскада. На рис. 62, а пока­ зан усилитель, когда анод первой лампы непосредственно соеди­ нен с сеткой второй п не принято никаких мер для нормализации сеточного режима второй лампы. Ясно, что в этом случае напря-

104

имение на сетке второй лампы Uc2 будет достигать большой вели­ чины — порядка половицы напряжения анодной батареи. При таком высоком полояштельном потенциале на сетке лампа, разу­ меется, работать не может, так как рабочая точка будет находиться в области тока насыщения.

Чтобы поставить вторую лампу в нормальный сеточпый ре­ жим, между анодом первой лампы и сеткой второй включается специальная компенсационная батарея Б к (рис. 62, б) навстречу напряжению анодной батареи. Напряжение компенсационной батареи Б н подбирается такой величины, чтобы Uc2 соответство­ вало нормальному сеточному смещению Л%. При наличии в уси­ лителе постоянного тока не двух каскадов, а более компенсацион­ ная батарея включается между каждыми двумя связываемыми каскадами, т. е. в трехкаскадном усилителе будут две такие ба­ тареи, в четырехкаскадном три.

Свойство усилителя с непосредственной связью усиливать напряжение и токи очень малой частоты является его наиболее ценным качеством и в то же время причиной больших неудобств при работе с ним.

В усилителе с емкостной связью стрелка прибора, стоящего на выходе усилителя и реагирующего на переменный ток, будет отклоняться лишь в случае наличия на входе усилителя перемен­ ного напряжения.

При отсутствии такого напряжения прибор будет показывать нуль независимо от изменения напряжений питающих ламп, характеристик и параметров их. Величина отклонения стрелки прибора будет зависеть лишь от величины переменного напряже­ ния на входе и коэффициента усиления усилителя, который также мало изменяется с изменением питающих напряжений.

В усилителе с гальванической связью показания гальвано­ метра G будут зависеть от общей величины напряжений на сет­ ках Л\ и Л 2 , т. е. изменяться в зависимости от напряжений, пи­ тающих лампы, параметров ламп и величин сопротивлений, вхо­ дящих в схему. При неизменном напряжении на входе, например при Ucl = 0, показание гальванометра не будет оставаться постоянным, так как анодный ток лампы Лг ( /а2) будет изменяться вследствие изменения накала Лг, изменения Еа и Uй2. Uc2 в свою очередь является функцией анодного тока Ли Нулевая точка усилителя, т. е. показание гальванометра при Ucl = 0, будет все время изменяться. Это явление часто называют дрейфом нуля. Таким же образом будут изменяться показания прибора и для других значений напряжения на входе. Величина дрейфа

Чтобы уменьшить дрейф нулевой точки, в усилителях постоян­ ного тока применяются источники питания, напряжения которых со временем очень мало изменяются, — батареи или аккумуля­ торы большой емкости, а также производится длительный прогрев

105

ламп перед измерениями. При питании от сети переменного тока усилители постоянного тока имеют специальные устройства для стабилизации питающих напряжений. Кроме того, и сами схемы усилителей значительно усложняются для достижения меньшей зависимости показаний выходного прибора от питающих напря­ жений.

Вследствие этих причин усилители переменного тока имеют большие преимущества перед усилителями постоянного тока, т. е. о ш проще, надежнее и дешевле. Поэтому при возможности стараются от усиления постоянного тока перейти к усилению пере­ менного тока. Для этого подлежащее усилению постоянное на­ пряжение предварительно преобразуют в переменное, а затем усиливают усилителем переменного тока.

§4. Применение полупроводниковых триодов

Вглаве II был описан принцип действия полупроводниковых триодов (ПТ). Здесь будут рассмотрены основные схемы их вклю­ чения и особенности схем с ПТ.

Основные схемы включения ПТ. Рассматривая применение отдельных электродов ПТ, можно провести аналогию между ПТ и электронной лампой. Назначение эмиттера ПТ, поставляющего в базовую область неосновные носители тока, аналогично назна­ чению катода электронной лампы. Работа коллектора, забираю­ щего неосновные носители тока из базовой области, аналогична работе анода лампы. Работу базы можно сравнивать с работой

сетка — катод управляет анодным током лампы. В схемах вклю­ чения также можно проводить аналогии между ПТ и электрон­ ными лампами. Однако, проводя эти аналогии, нельзя забывать, что аналогии эти часто внешние, что физические процессы, про­ текающие в ПТ и в электронных лампах, совершенно различные, что механизм управления током коллектора ПТ сильно отли­

об особенностях этой схемы и возможностях ее применения, по­ смотрим, какие величины имеют для этой схемы коэффициент усиления каскада на ПТ по току ki0, полное входное сопротивле­ ние g и усиление по напряжению А'иб (индекс б показывает, что этот параметр относится к схеме с общей базой). В большин­ стве формул для определения этих величин применяется также параметр а:

к№= -Ь - = а = 0,9 -У 0,98.

106

Как и следовало ожидать, в схеме с общей базой усиления тока не происходит. Входной и выходной токи находятся в фазе.

Входное сопротивление в этой схеме весьма низкое и может иметь величину от нескольких ом до десятков ом:

Рис. 63. Схема включения электронной лампы с заземленной сеткой (а) и аналогичная ей схема включения ПТ с общей базой (б).

аналогичная ей схема включения ПТ с общим эмиттером (б).

Коэффициент усиления схемы по напряжению зависит от отно­ шения сопротивления нагрузки к входному сопротивлению. Он может быть очень высоким — до нескольких сот

с заземленным катодом (рис. 64, а) — соответствует схема вклю­ чения ПТ с общим эмиттером (рис. 64, б). В схеме с общим эмит­ тером входное напряжение подается между базой и эмиттером, выходное напряжение снимается между коллектором и эмитте­ ром. Такому включению соответствуют следующие значения ki э,

Двх.в И к и г '

107

Коэффициент усиления но току в схеме составляет 10—50 в за­ висимости от а. Знак минус в формуле означает, что входной и выходной токи находятся в противофазе, т. е. схема усиливает ток и изменяет его фазу на обратную.

Полное входное сопротивление в этой схеме имеет величину в 10—15 раз больше, чем в схеме с общей базой, и может достигать нескольких килоом:

Усиление по напряжению имеет ту же величину, что и в преды­ дущей схеме, причем происходит изменение фазы сигнала на об­ ратную:

Рис. 65. Схема включения лампы с заземленным анодом (а) и аналогичная ей схема включения ПТ с общим коллектором (б).

Схеме включения электронной лампы, известной под назва­ нием катодного повторителя, т. е. с заземленным анодом (рис. 65, а), соответствует схема включения ПТ с общим коллек­ тором (рис. 65, б). Для схемы с общим коллектором

Усиление по току то же, что и в предыдущей схеме (в 10— 50 раз), но фаза сигнала при усилении не изменяется.

Полное входное сопротивление в схеме с общим коллектором зависит от сопротивления нагрузки и может достигать очень боль­ ших величин (сотни килоом):

108

Усиления по напряжению схема не дает, фазу сигнала не из­

Рассмотрев три основные схемы включения ПТ, можно сделать следующие выводы.

1. Схема с общей базой, не давая усиления по току, имеет значительное усиление но напряжению и среднее — по мощности. Входное сопротивление схемы очень низкое, а выходное — высо­ кое. Характерной особенностью этой схемы является большая, чем у других схем, стабильность работы, т. е. постоянство пара­ метров при изменении окружающей температуры и питающих напряжений. Схема является основной при использовании то­ чечных триодов; для плоскостных триодов она применяется реже,

мощности, измеряемым десятками тысяч раз. Входное и выходное сопротивления примерно равны и исчисляются сотнями ом. Схема имеет меньшую стабильность, чем схема с общей базой. Она яв­ ляется основной при использовании плоскостных ПТ.

3. Схема с общим коллектором усиливает ток в той же сте­ пени, что и схема с общим эмиттером. Напряжение она не усили­ вает, а мощность усиливает значительно меньше, чем схема с об­ щим эмиттером, н несколько меньше, нем схема с общей базой. Характерной особенностью этой схемы является возможность получения высокого полного входного сопротивления, приближаю­ щегося по величине к входным сопротивлениям электронных ламп. Данная схема применяется для согласования полных со­ противлений входных и выходных цепей в усилителях на ПТ.

Особенности входного каскада на ПТ. Приведенные выше данные позволяют сделать следующий вывод: схемы с ПТ по срав­ нению со схемами на электронных лампах имеют существенные отличия, которые нельзя не учитывать. В электронных лампах управление анодным током происходит вследствие изменения напряжения на входе; в большинстве случаев лампы и предназна­ чены для усиления напряжения. В ПТ управляющим фактором является входной ток, и без протекания тока по входной цепи вообще немыслима их работа. ПТ во всех случаях работают прежде всего как усилители мощности. Получаемое от ПТ усиление мощ­ ности зависит от согласования сопротивлений источника усили­ ваемого сигнала и входа ПТ.

Максимальная мощность от источника электроэнергии к на­ грузке, как известно, передается в случае равенства внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки. Мощность, выделяющаяся на нагрузке, падает при возрастании сопротивле­ ния источника выше наивыгоднейшей величины и при понижении его. Особенно резко мощность падает при возрастании сопротн-

109

влеиия источника. При использовании ПТ необходимо учитывать это обстоятельство, так как вход ПТ является нагрузкой для источника сигнала, максимально мощность усиливается лишь при согласовании их сопротивлений.

Применение усилителей на ПТ в схемах контроля и автоматики обычно связано с тем, что на вход усилителя от датчика подается электрический сигнал, мощность которого должна быть усилена. Для снижения потребного коэффициента усиления мощности усилителя необходимо, чтобы датчик отдавал максимальную мощность на вход усилителя, т. е. чтобы сопротивление датчика было согласовано с входным сопротивлением ПТ. Это предъявляет особые требования к датчикам, используемым с ПТ. Сопротивле­ ние датчика не должно быть очень большим и не должно сильно изменяться во время работы, так как в противном случае коэффи­ циент передачи мощности также будет изменяться. Кроме того, сигнал, поступающий с датчика, не должен существенно иска­ жаться под влиянием нагрузки, которую представляет входное сопротивление ПТ.

Поэтому не все типы датчиков, используемые в схемах кон­ троля и автоматики, могут успешно работать вместе с усилите­ лями на ПТ. Эти усилители выгодно применять с индукционными датчиками всех видов, в том числе с сельсинами в трансформатор­ ном режиме, с большей частью мостовых и потенциометрических схем. Значительно лучше ПТ-усилители работают с мостовыми и потенциометрическими схемами, питаемыми переменным током. Вполне возможно применение ПТ для усиления фототоков вен­ тильных фотоэлементов. В ряде случаев применение ПТ не имеет смысла, т. е. когда датчики имеют высокое внутреннее сопротивле­ ние и не в состоянии отдать низкоомному входу ПТ значительную мощность. К таким датчикам относятся емкостные датчики, дат­ чики pH-метров, фотоэлементы с внешним фотоэффектом и т. д.

Связь между каскадами на ПТ. В усилителях на ПТ связь выполнить между каскадами значительно сложнее, чем в усили­ телях на электронных лампах. Выходное сопротивление каскада па ПТ высокое, а входное малое. Поэтому при непосредственном соединении выхода I каскада с выходом II каскада через разде­ лительный конденсатор, как это осуществляется в усилителях на электронных лампах, получаются плохие результаты. Причина — отсутствие согласований сопротивления источника сигнала, ко­ торым в данном случае является I каскад, и сопротивления на­ грузки, которой является II каскад. Чаще всего для согласования сопротивлений применяется трансформаторная связь между ка­ скадами, как это показано на рис. 6 6 . Трансформатор низкой частоты Тр является понижающим, его первичная обмотка имеет высокое полное сопротивление, а вторичная обмотка — низкое, в результате чего и достигается согласование высокого выходного сопротивления ПТ\ с низким входным сопротивлением ПТ2. Иногда для согласования сопротивлений вводят промежуточный каскад, в котором ПТ включен по схеме с общим коллектором.

110