Мини-лекции. Нелинейные цепи. Применение

   В этой мини-лекции мы рассмотрим применение нелинейности, нелинейных элементов. Хотя всё это в общем виде многим знакомо. На первом месте конечно стоит усилитель! С него мы и начнём. На рис4 упрощённая схема одного каскада. Лампа является нелинейным элементом в этой схеме, что и видно на характеристике рис2b. Посмотрите на рис1. Это характеристика лампы после аппроксимации по типу как на рис2a,b. Из-за напряжения смещения Еg рабочая точка сдвинута вправо от Uo. Часть синусоиды (всё, что левее Uo) не участвует в создании анодного тока, она отсечена. А угол [тэта] называется углом отсечки. Откуда здесь углы какие-то? Оттуда! Если синусоида, ток или напряжение, то ось вокруг которой вертится синусоида, — ось времени. А вся синусоида, временная диаграмма. Но если это просто функция, знакомая ещё со школы, то? То вспомните как её трактуют? Правильно, как след от конца вектора, вращающегося против часовой стрелки. Один поворот вокруг оси — один период синусоиды. А угол поворота 360°. Полупериод — 180°. Четверть — 90°... Судя по картинке 0<[тэта]< 180°. Стало быть, импульсы тока в лампе более, чем половина синусоиды!

   От величины угла отсечки, усилитель может работать в разных режимах. Если [тэта] равен 180°, то есть синусоида практически не отсекается, это называется режим класса [А], или просто РЕЖИМ А. При таком режиме синусоида без искажений усиливается рис2. Ну почти?! При большей амплитуде входного сигнала (синусоиды), чем на рис2 начнёт сказываться нелинейность рис2a. Напряжение смещения Eg, в разных режимах сдвигает рабочую точку, точку отсечения в нужное место на оси Ug. В режиме А работают все предварительные каскады усилителей и оконечные, маломощные. Более мощные работают в режиме класса [В] рис3, а угол отсечки [тэта] = 90°. А как же искажения? Дело в том, что усилители, работающие в режиме В, двухтактные. Вот на рис8 Вы и видите упрощённую схему такого двухтактного. В чём фишка такого нагромождения? А, в том, что каждая половина усилителя усиливает только свою половину синусоиды. Одна положительную (по рисунку верхняя Л1), а вторая (Л2) отрицательную. Затем в выходном трансформаторе две критические массы сходятся, и? И получается синусоида! КПД такого усилителя выше, нежели однотактного (режим А).

   Вся эта картинка получается красивой при условии, что аппроксимированная характеристика реальная. Но в жизни это не так, и она всё-таки нелинейная поэтому и режим В получается не совсем В, а какой? На рис2а показан начальный участок нашей нелинейной характеристики лампы. Отрезок синей линии, — аппроксимация прямолинейного (как бы?) участка. И мы точку РТ на оси Ug считаем нулевой, так ещё ток через лампы равен нулю. А отрезки синусоид на рис3 [В] такие все стройные и красивые и всё-то у нас тип-топ! Увы, в реальности из-за криволинейности участка ток не равен нулю, а равен io! Поэтому наши отрезки вблизи оси [t] закруглены и на выходе синусоида получается несколько изуродована... Добавьте ко всему неодинаковость режимов самих ламп... Коэффициент нелинейности такого усилителя [В] оказывается выше чем у [А]!

   На рис3 синим цветом показано, что произойдёт если с помощью того же Eg сдвинуть рабочую точку так, что угол отсечки [тэта] станет меньше 90°. И, что тогда? Тогда усилитель будет работать в режиме [С]. Но ведь это означает, что на выходе будет ещё больше гармоник! От основной первой и до бесконечности! Да, Вы правы! Только вот такой усилитель будет как бы не совсем усилитель и будет называться умножителем. Ведь на выходе будут гармоники, частоты которых будут отличаться от основной (первой) в 2, 3, 4, 5... раз. То есть, каждая последующая частота гармоники как бы умножается на 2, 3, 4, 5...! Нам лишь остаётся всё ненужное отфильтровать и всё! Конечно простому обывателю в жизни скорее всего не придётся с таким сталкиваться. Но всё же, он об этом знать будет.

   А, что ещё могут эти неправильные и нелинейные? Да много ещё чего... Ведь как не крути вся электроника и радиотехника держится на них! Строго говоря даже шибко линейные резисторы, тоже нелинейные! Но всякие допуски-посадки позволяют нам закрывать глаза на их нелинейность. Ведь даже очень точные эталоны имеют свои неровности и их эталонность только с оговорками — эталонность!

   Вот ещё пример на рис5. Пример как нелинейность (с линейными этот фокус не пройдёт!) позволяет переносить спектр частот на другое место оси частот. В виде звуков (что Вам понятнее и ощутимо) это качание высоты (тональности) звука при игре на синтезаторе. Когда Вы слышите звуки типа вау-вау и видите как музыкант в это время движет либо рычагом либо педалью (варианты разные). Если бы это был голос, то менялся бы от детского писклявого до грубого взрослого. А, что для нас сейчас? Это когда два сигнала рис5, смешиваются в нелинейном элементе (лампе, транзисторе). В результате, две частоты Fc и Fг, где Fc — частота нашего сигнала, а Fг — частота вспомогательного генератора [ГЕТ] (гетеродина) смешиваются в смесителе [СМ]. В результате получается куча грязи, и не всегда полезная. Частота перенесённая называется промежуточной (для случая на рис5) и представляет собой либо Fc+Fг либо Fc-Fг. Выбирайте любую... Аналогично будет преобразован и весь спектр если Fc несущая промодулированного сигнала. Так в старых радиоприёмниках промежуточная частота (Fпр) была равна 465 кГц. Какие сейчас???

   А, какая такая грязь о которой я упоминал? Это когда Fc создаёт промежуточную частоту не с Fг, а с его гармониками. Если всё это привязать к телевидению, то? То Вы, матерно ругаясь можете вдруг обнаружить нужный Вам канал в плохом качестве и совсем не на его родных частотах! На рис5 как раз показана блок-схема радиоприёмника с преобразованием сигнала в промежуточную частоту (полосу частот). ФПЧ — фильтр полосовой, тех самых промежуточных (спектра). Далее усилитель УПЧ тех же частот. Детектор и УНЧ, — усилитель низких частот (звуковых).

   На рис7 показан так называемый двухполупериодный выпрямитель. А на рис6 сам процесс. Здесь объединены аппроксимированные характеристики диодов (в виде уголка). Одна характеристика пропускает положительные полупериоды синусоиды и отрезает отрицательные, другая наоборот! В итоге на выходе (после объединения) получаем набор их одинаковой полярности полупериодов. Раскраска указывает какой, откуда пришёл? После выпрямления всё это (с точки зрения спектра) фильтром [Ф] отфильтровывается. В результате (теоретически) остаётся одна постоянная составляющая! На практике это не совсем так?!

   Что такое фильтр? В общем виде это ёмкость (конденсатор) который заряжается от поступающих импульсов. В ограничительном, пурпурного цвета прямоугольнике обозначен этот процесс. Конденсатор заряжается до определённого значения (вершина импульса). Затем разряжается на нагрузке до какого-то минимума. Следующий импульс опять заряжает и так далее... В установившемся режиме мы видим на графике не постоянное напряжение (сплошная горизонтальная линия), а вот такую «пилу»! «Пила», это пульсация которая нам не нужна?! Если фильтрация плохая, то всё это мы слышим в звуковом канале, в виде рычания, либо в виде волнообразной яркости горизонтальных полос на экране телевизора. Чем меньше пульсация, тем лучше фильтрация и наоборот.

   На рис6а показаны тоже импульсы только на выходе однополупериодного выпрямителя (всего один диод). Почувствуйте разницу в размахе пульсаций!? Всё это конечно хорошо (для двухполупериодного выпрямителя рис7) если бы не усложнение (удорожание) из-за трансформатора... И вот была предложена схема Гретца (в виде диодного моста), МОСТОВАЯ рис9. Схема предложенная немецким физиком Лео Гретцом (1856-1941гг.). Как видите, нет, никакого трансформатора?!

   И последняя тема, это ограничители. Догадываюсь, что для большинства всё это впервые... Но я Вас надолго не задержу. На рис10 показана схема с двухсторонним ограничением. Так ещё ограничение синусоиды и отрицательных полупериодов, как и положительных. Выбросим мысленно скажем правый диод и получим схему с ограничением снизу. Как это работает? Если Е1 будет равно нулю, то все отрицательные полупериоды будут закорочены на «землю». Это будет обычный выпрямитель. Но если Е1 медленно увеличивать, то внизу (на выходе) появятся отрицательные полупериоды сильно обрезанные. И чем больше напряжение тем они более будут принимать свой первоначальный вид. Аналогично и со вторым диодом и Е2. Только ограничение будут уже сверху. Где это можно применить? Там где нужно по какой-то причине (не взирая на искажения) ограничить уровень сигнала. Скажем в телефонии... Как бы Вы не орали в трубку, ограничители Вам не позволят лишнего! И до Японии всё равно не докричитесь! Можно поставить в ТВ для ограничения орания рекламных придурков! Да, мало ли где?

   Вот пожалуй и всё?!