И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Входной (модулятор) и выходной (демодулятор) преобразователи поочередно выполняют преобразование постоянного напряжения в переменное и переменное в постоянное. Входным преобразователем обычно является механический вибратор, транзисторный ключ или транзисторная схема, работающая в двух крайних состояниях пропускания и непропускания. Транзисторная ключевая схема обычно возбуждается (управляется) от независимого источника переменного тока, например мультивибратора, работающего с частотой 400 — 1000 Гц. Выходным преобразователем является детектирующая схема.

Усилитель с трансформаторной связью называется также трансформаторным усилителем. Его схема показана на рис. 7.19. Усилительный элемент — лампа или транзистор, а трансформатор — элемент связи каскада усиления с последующим каскадом либо нагрузкой. Первичная обмотка трансформатора включена между зажимом источника питания и анодом или коллектором. Вторичная обмотка подает сигнал на сетку или базу следующего каскада или прямо в нагрузку, например громкоговоритель.

Трансформатор, как известно, не пропускает постоянный ток из первичной обмотки во вторичную, поэтому он выполняет функции элемента, разделяющего постоянные напряжения, действующие на электродах ламп или транзисторов, включенных каскадно, аналогично конденсатору связи в резистивно-емкостном усилителе. Из-за того что обмотки трансформатора имеют очень малое сопротивление, постоянное напряжение на аноде или коллекторе практически равно напряжению питания.

В трансформаторном усилителе переменный ток, протекающий в первичной обмотке трансформатора, наводит ЭДС во вторичной обмотке. Это напряжение служит для возбуждения последующего каскада или нагрузки (чаще всего громкоговорителя).

Рис. 7.19. Принципиальная схема трансформаторного усилителя

Достоинствами трансформаторной связи являются: удобные условия питания и стабилизации рабочей точки из-за малого сопротивления обмоток для постоянной составляющей; возможность трансформации сопротивления, в результате чего достигается увеличение коэффициента усиления; возможность симметрирования несимметричной схемы или наоборот.

Одним из основных параметров трансформатора является коэффициент передачи, определяемый как отношение числа витков вторичной обмотки n 2к числу витков первичной n 1

p= n 2/ n 1

В идеальном трансформаторе (рис. 7.20, a ), в котором энергия передается без потерь, коэффициент передачи напряжения равен коэффициенту трансформации

p= U 2/ U 1

Из закона сохранения энергии следует, что полная мощность в первичной цепи должна быть равна полной мощности во вторичной, и поэтому коэффициент передачи тока равен обратной величине коэффициента передачи напряжения

p= I 1/ I 2

На основе приведенных зависимостей можно легко показать, что коэффициент передачи сопротивлений равен квадрату коэффициента трансформации (передачи)

Z 2/ Z 1 = р 2

или коэффициент трансформации равен корню квадратному из коэффициента передачи сопротивлений.

Последняя зависимость позволяет трактовать трансформатор не только как устройство для трансформации напряжения и тока, но и как устройство для трансформации сопротивлений. Этим свойством трансформатора пользуются в том случае, когда необходимо согласовать сопротивления нагрузки и источника для создания оптимальных условий передачи мощности в цепи. Если, например, источник с внутренним сопротивлением 100 Ом должен передавать мощность в нагрузку с сопротивлением 16 Ом, достаточно использовать понижающий трансформатор с коэффициентом передачи

р = √(16/100) = √(1/6,25) = 1:2,5.

Трансформатор позволяет также перейти от несимметричной схемы к симметричной и наоборот. Несимметричной называется схема, в которой один зажим генератора и нагрузки соединен с массой схемы, а второй имеет потенциал выше или ниже.

Все рассматриваемые до сих пор усилители были несимметричными, поскольку из-за источника сигнала один конец нагрузки был всегда соединен с массой.

Часто возникает необходимость создания симметричного источника, т. е. разделенного на две части, на которых действуют одинаковые по значению относительно малые напряжения, но противоположной полярности.

Симметричная относительно массы схема имеет три провода. Средний (нулевой) провод имеет потенциал массы. Остальные два провода имеют определенный потенциал относительно массы, причем когда на одном из них действует положительный мгновенный потенциал, то на другом — отрицательный.

Идеальным симметрирующим устройством является трансформатор (рис. 7.20, б ). Для перехода на симметричную схему достаточно к несимметричному источнику подключить трансформатор со вторичной обмоткой, разделенной на две равные части. При соединении с массой, выведенной наружу трансформатора средней точки обмотки, получаем симметричный источник.

Рис. 7.20. Идеальный трансформатор ( а) и трансформатор как симметрирующая схема ( б)

Недостатками трансформаторной связи являются: увеличение стоимости и габаритных размеров схемы, ухудшение частотной характеристики, возможность возникновения дополнительных нелинейных искажений из-за нелинейности самого трансформатора.

Первый недостаток не требует подробных комментариев. Трансформатор, выполненный, как правило, на сердечнике из магнитного материала и содержащий часто несколько сотен витков, является устройством, занимающим значительно больший объем, чем объем элементов, входящих, например, в состав транзисторного усилителя. Его стоимость значительно больше стоимости конденсатора связи.

Вид частотной характеристики усилителя, в котором используется трансформаторная связь, в основном зависит от частотной характеристики трансформатора. Трансформатор можно рассматривать как четырехполюсник, состоящий из нескольких индуктивностей (индуктивности первичной обмотки и индуктивности рассеяния), емкостей (емкости обмоток и межвитковые емкости) и сопротивлений (сопротивления обмоток). Вид частотной характеристики такого четырехполюсника зависит от параметров составляющих его элементов, а те в свою очередь от конструкции и исполнения трансформатора. Не вникая в детали, можно утверждать, что в диапазоне низких частот принципиальное значение имеет индуктивность первичной обмотки. Чем меньше требуемая нижняя граничная частота, тем большей она должна быть.