Каскад — многоступенчатая система и метод¶

Каскад (от итал. cascata — водопад) — многоступенчатая последовательная система, в которой выход одной ступени служит входом для следующей, а также общий принцип построения устройств, процессов и алгоритмов, основанный на соединении нескольких однотипных или разнотипных элементов в цепь. Термин применяется в энергетике, гидротехнике, электронике, вычислительной технике, химии, акустике и других областях. Общая идея каскада — использование промежуточных результатов для последовательного усиления, преобразования или передачи величины (энергии, сигнала, вещества, информации).

¶Гидротехнический каскад

В гидротехнике каскад — это система плотин и водозаборных сооружений на реке, расположенных одна выше другой по течению, при которой подпорный бассейн одной плотины примыкает к подпорному бассейну следующей. Каскадное строительство позволяет:

• эффективно использовать перепад высот реки для выработки электроэнергии;
• регулировать сток воды и предотвращать наводнения;
• обеспечивать судоходство, водоснабжение и орошение.

Примеры российских каскадов — Волго-Камский гидроэнергетический каскад (10 ГЭС), Ангарский каскад (Иркутская, Братская, Усть-Илимская ГЭС), каскад на реке Вилюй. Наиболее высокие плотины каскада могут достигать более 100 метров, а суммарная мощность крупных каскадов измеряется гигаваттами.

¶Энергетика и турбостроение

В энергетике каскадное расширение пара применяется в паровых турбинах. Рабочее тело (пар) последовательно проходит через ряд ступеней турбины, на каждой из которых давление и температура снижаются, а кинетическая энергия преобразуется во вращение вала. Различают:

• давление (первая ступень, высокое давление);
• промежуточное давление;
• низкое давление.

Такое разделение позволяет повысить КПД турбины и использовать тепло более полно. Аналогичный принцип работает в газовых турбинах и компрессорах.

¶Электроника и усилители

В электронике каскад — одиночный усилительный элемент (ламповый, транзисторный, операционный усилитель), а каскадный усилитель — цепь из нескольких последовательно соединённых усилителей. Каждый следующий каскад усиливает сигнал, уже обработанный предыдущим. Основные типы каскадов по способу включения:

Каскодная схема (от англ. cascode) — особое соединение двух каскадов, при котором каскад с общей эмиттером нагружен на каскад с общей базой. Такая схема повышает входное сопротивление, снижает влияние ёмкости Кольпитца и применяется в широкополосных усилителях, радиоприёмниках и измерительной технике.

¶Химия и хроматография

В химической технологии каскадный процесс — многократное последовательное проведение операции (реакции, экстракции, перегонки, фильтрации) с целью повысить выход продукта или степень очистки. Пример — каскадное разделение изотопов методом газовой диффузии или центрифугирования, применявшиеся при обогащении урана. В хроматографии каскадное соединение колонок позволяет достичь высокой степени разделения сложных смесей.

¶Каскад в вычислительной технике

В цифровой электронике каскадный перенос (ripple-carry) — схема сложения двоичных чисел, при которой перенос из разряда последовательно передаётся в следующий. Простота схемы сочетается с невысокой скоростью, поскольку задержка пропорциональна количеству разрядов. Для ускорения применяют схемы с предсказанием переноса (carry-lookahead). В программировании каскадный вызов описывает цепочку функций, где результат одной является входом другой.

¶Прочие значения

• Каскадный разряд — процесс распространения электрического разряда через цепочку ионизированных промежутков (вспышках, счётчиках Гейгера, искровых разрядниках).
• Каскадный резонатор — фильтр, построенный из последовательно соединённых резонансных контуров.
• Каскадный усилитель мощности звука — многокаскадная схема аудиоусилителя, где предварительные каскады обеспечивают напряжение, а выходной каскад — ток нагрузки.
• Каскадное обучение (machine learning) — метод, при котором модель обучается последовательно по частям задачи.

¶См. также

• Гидроэнергетика
• Паровая турбина
• Усилитель
• Каскодная схема

¶Источники

• Большая советская энциклопедия
• Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
• Техническая энциклопедия (под ред. Л. Миттельмана)
• ГОСТ 21.101 — основные требования к проектной и рабочей документации (разделы гидротехнического строительства)
• Физический энциклопедический словарь