Ответы к ГосЭкзамену 220402 (Информатика) (1088974), страница 32
Текст из файла (страница 32)
В системах автоматического управления (САУ) У. в. изменяется таким образом, чтобы управляемая величина соответствовала заданию (в следящих системах, в системах стабилизации и программного управления) или достигаланекоторого оптимального либо экстремального значения (в системах оптимального управления, экстремального регулирования, самонастраивающихся системах и др.).Аппаратные средства формирования управляющих сигналов – микроконтроллеры. Микроконтроллер —микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.
Типичный микроконтроллерсочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, этооднокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы,вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, зна-116чительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многихсовременных приборах, таких как телефоны, стиральные машины и т.
п. Большая часть выпускаемых в мирепроцессоров — микроконтроллеры.6.Ключевые усилители мощности: виды, сравнительные характеристики, особенностиприменения.Элементная база полупроводниковых усилителей за долгую историю развития претерпела существенные изменения. На смену германиевым транзисторам пришли кремниевые. В дополнение к приборам p-n-p были освоены транзисторы структуры n-p-n . В дополнение к биполярным приборампришли полевые транзисторы. Развитие элементной базы не изменило принципов: параметры полупроводниковых приборов существенно зависят от температуры кристалла и протекающего черезпереход тока.Например, коэффициент передачи тока у биполярного транзистора может изменяться на порядок врабочем диапазоне токов.
Существенно изменяется и крутизна передаточной характеристики полевых транзисторов в рабочем диапазоне режимов. Придумано множество схемотехнических решений, позволяющих уменьшить влияние этих изменений на параметры усилителя в целом, именно в этом и состоят основные различия между моделями.За полувековую историю был накоплен бесценный опыт производства бестрансформаторных транзисторных двухтактных усилителей класса АВ. Им на смену пришли импульсные устройства, помногим показателям выигрывающие у линейных.117Рис.1. Ключевой усилитель.
Потенциально на управляемом элементе потерь энергии нет2.УстройствоПо режиму работы активных элементов усилители разделяют на классы.Класс A — работа без отсечки тока.Класс B — угол отсечки равен p/2, или 90°.Класс AB — угол отсечки находится в пределах p/2...p, или 90°...180°.Класс С — угол отсечки менее p/2, или 90°, в звуковых усилителях практически не используется.Класс D — импульсные усилители с широтно-импульсной модуляцией. В таком усилителе энергияот источника питания в нагрузку поступает через ключ (рис.1).Рис.2. Низкочастотная составляющая импульсного сигнала представляет собой выходной сигналключевого усилителяИзменение параметров модуляции ключа приводит к тому, что низкочастотная составляющая импульсного сигнала изменяется (рис.2), она и представляет собой выходной сигнал усилителя.Относительно недавно появились усилители класса А+, G и H — это линейные усилители с изменяемым напряжением питания.
При увеличении амплитуды сигнала на входе увеличивается напряжение питания оконечного каскада, что позволяет ощутимо повысить КПД оконечного каскадаусилителя.По устройству линейные усилители бывают однотактные и двухтактные (push-pull).В однотактных конструкциях активные элементы (лампы или транзисторы) работают обычно в линейном режиме без отсечки тока — это класс А.118Рис.3. Однотактный усилитель. Под действием управляющего сигнала часть энергии блока питанияподается в нагрузкуРис.4. Двухтактный усилитель. Работа с отсечкой тока в классе В позволяет уменьшить потериэнергииС допустимой степенью упрощения можно считать, что в однотактном усилителе напряжение источника питания делится между управляемым элементом и нагрузкой, а ток через них протекаетодин и тот же (рис.3).В мощных усилителях настоящий класс А можно увидеть только в предварительных каскадах.В двухтактных мощных усилителях выходные каскады работают обычно с отсечкой тока (рис.4).Коэффициент полезного действия — это один из ключевых параметров мощного усилителя, двухтактное устройство класса В выигрывает по этому параметру у однотактного, работающего в классе А.Но в целом КПД линейных усилителей в режиме усиления реального звукового сигнала редко превышает 50%.
Низкий КПД — это не только повышенное потребление электроэнергии, хотя и этотпараметр тоже очень важен, ведь получить дополнительные 20 или 50 кВт для звука на площадкебывает почти невозможно.Низкий КПД — это еще и необходимость отвода тепла. Даже на открытом воздухе рассеять 10 или20 кВт энергии непросто.
При работе в зале трудности возрастают многократно.Радикально повысить КПД позволяет переход от линейного усиления к ключевому или импульсному. Принцип действия ключевых усилителей несложен: активный элемент может находиться в двухсостояниях — открыт или заперт. Если ключ заперт, то ток через него не течет и выделяемая мощность равна нулю.
Если ключ открыт, то падение напряжения на нем равно нулю и потерь мощности тоже нет.119Рис.5. Форма реального сигнала в ключевом усилителеВ реальной ситуации транзистор проводит ток и в запертом состоянии, и напряжение на открытомтранзисторе не равно нулю, и переключение происходит не мгновенно (рис.5), но КПД оказываетсявысоким, доходя даже до 95%. Повышение КПД от 50 до 90% уменьшает тепловыделение в пятьраз, а до 95% — в 10! Печка 10 кВт, способная согреть троллейбус в лютую стужу, превращается вобычный электрочайник.Принцип действия ключевого усилителя, как уже было отмечено, несложен, но сопряжен с трудностями его реализации.
Снижение потерь достигается за счет уменьшения длительности переходного процесса, именно в этот период времени активный элемент поглощает энергию и выделяет тепло. Повышение быстродействия ограничивается не только возможностями активных элементов (тоесть транзисторов). Влияют на скорость переключения даже монтажные емкости и индуктивностьпроводов. За повышение быстродействия приходится платить еще и увеличением помех, точнеерасходами на их подавление.Важную роль в энергетике импульсных усилителей играют сквозные токи, протекающие через последовательно включенные элементы, один из которых еще не успел закрыться, а второй — уженачал открываться.
Схемотехнические и технологические находки изобретателей, позволяющиеуменьшить влияние сквозных токов на результат, охраняются всеми доступными средствами. В частности, все прячется внутрь интегральной схемы, которую проще купить готовую, чем подделать.Один из важнейших недостатков ключевых устройств — высокий уровень электромагнитных помех.Первые ключевые усилители вполне могли использоваться как средства подавления радиосвязи иглушения радио и телевещания. Современные модели ведущих производителей помех практическине создают, чего нельзя сказать о поделках любителей, не имеющих подчас даже измерительногооборудования для контроля излучаемых в эфир сигналов.Строго говоря, любой усилитель является усилителем мощности.
Может усиливаться ток при неизменном напряжении, может — напряжение при неизменном токе, может — одновременно и ток, инапряжение. Если усиление тока сопровождается пропорциональным уменьшением напряжения, тоне происходит усиления мощности. В качестве наглядного примера можно привести рычаг: растетсила, но мощность сохраняется неизменной.Мерой возможностей усилителя является коэффициент усиления. Если на вход микрофонного усилителя сопротивлением 1 кОм подать напряжение 1 мВ, а на его выходе получить 1 В при сопротивлении нагрузки 1000 Ом, то усиление по напряжению равно 1000, по току — 1000, а по мощности — 1000000.В данном случае нас интересует не только коэффициент усиления, ведь речь идет не об усилителях мощности вообще, а о мощных усилителях, предназначенных для работы с акустическими системами.
Такой усилитель должен обеспечить усиление электрических сигналов в диапазоне звуковых частот (приблизительно 20 Гц...20 кГц) до достаточной мощности, составляющей десятки, сотни или даже тысячи ватт. Искажения сигнала должны быть приемлемыми с позиции слухового восприятия: неравномерность АЧХ — не более 1 дБ, нелинейные искажения — не более 0,1...1%, от-120носительный уровень собственных шумов — не более -80...-100 дБ.Рис.6. Переключатель S1 позволяет превратить двухканальный усилитель (1) в мостовой (2)Как обеспечить получение большой выходной мощности? Амплитуда напряжения на выходе классического усилителя ограничена напряжением питания выходного каскада.
Напряжение питаниявыбирается с учетом электрической прочности транзисторов выходного каскада. При напряжениипробоя коллекторного перехода, равном, например, 100 В, напряжение питания выбирается равным 60 В, этой же величиной ограничена удвоенная амплитуда выходного напряжения звуковогосигнала. Амплитуда напряжения оказывается равной 30 В, действующее значение 30/1,41 = 21 В.При сопротивлении нагрузки 8 Ом получаем мощность чуть больше 50 Вт. Если же включить дватаких усилителя по мостовой схеме (рис.6), то максимальное напряжение на нагрузке окажется вдва раза большим (около 40 В), а мощность возрастет в четыре раза и достигнет 200 Вт на нагрузке 8 Ом.
Такой метод повышения выходной мощности используется и поныне.В описаниях к усилителям указывается номинальное сопротивление нагрузки. На нагрузку 4 ома иболее работают практически все аппараты, номиналы 1 и 2 ома встречаются реже. Основная трудность работы с низкоомной нагрузкой — жесткие требования к сопротивлению соединительныхпроводов, выполнить их удается только при небольшой длине — единицы метров. Если возникаетнеобходимость использования длинной соединительной линии, то для уменьшения потерь в проводах используют работу на повышенном напряжении, трансформатор обеспечивает согласование.Именно так устроена радиотрансляционная сеть.Выходная мощность импульсных усилителей звукового сигнала ограничивается сегодня здравымсмыслом и соображениями безопасности.
При напряжении, например, 36 В (считающимся безопасным для человека) на нагрузке 4 Ом получаем мощность более 300 Вт — вполне достаточно длядинамической головки акустической системы. Если возникла необходимость использовать несколько акустических систем, например линейный массив, то вполне логичным выглядит решение использовать для каждого кластера свой усилитель.Вековая история усилителестроения не прошла бесследно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
