Elektronické zosilňovače v priemyselnej elektronike

Sú to zariadenia určené na zosilnenie napätia, prúdu a výkonu elektrického signálu.

Najjednoduchším zosilňovačom je tranzistorový obvod. Použitie zosilňovačov je dané tým, že zvyčajne elektrické signály (napätia a prúdy) vstupujúce do elektronických zariadení majú malú amplitúdu a je potrebné ich zvýšiť na potrebnú hodnotu postačujúcu pre ďalšie použitie (premena, prenos, napájanie záťaže ).

Obrázok 1 zobrazuje zariadenia potrebné na prevádzku zosilňovača.

Obrázok 1 – Prostredie zosilňovača

Výkon uvoľnený pri zaťažení zosilňovača je prevedený výkon jeho napájacieho zdroja a vstupný signál ho iba poháňa. Zosilňovače sú napájané zdrojmi jednosmerného prúdu.

Zvyčajne sa zosilňovač skladá z niekoľkých zosilňovacích stupňov (obr. 2). Prvé stupne zosilnenia, určené hlavne na zosilnenie napätia signálu, sa nazývajú predzosilňovače. Ich obvody sú určené typom zdroja vstupného signálu.

Stupeň, ktorý slúži na zosilnenie výkonu signálu, sa nazýva terminál alebo výstup.Ich schéma je určená typom zaťaženia. Zosilňovač môže tiež obsahovať medzistupne určené na získanie potrebného zosilnenia a (alebo) na vytvorenie nevyhnutných charakteristík zosilneného signálu.

Obrázok 2 – Štruktúra zosilňovača

Klasifikácia zosilňovača:

1) v závislosti od zosilneného parametra, napätia, prúdu, výkonových zosilňovačov

2) podľa povahy zosilnených signálov:

• zosilňovače harmonických (spojitých) signálov;

• zosilňovače impulzného signálu (digitálne zosilňovače).

3) v rozsahu zosilnených frekvencií:

• DC zosilňovače;

• AC zosilňovače

• nízka frekvencia, vysoká, ultra vysoká atď.

4) podľa povahy frekvenčnej odozvy:

• rezonančné (zosilňujú signály v úzkom frekvenčnom pásme);

• pásmová priepust (zosilňuje určité frekvenčné pásmo);

• širokopásmové (zosilňuje celý frekvenčný rozsah).

5) podľa typu výstužných prvkov:

• elektrických vákuových lámp;

• na polovodičových zariadeniach;

• na integrovaných obvodoch.

Pri výbere zosilňovača opustite parametre zosilňovača:

• výstupný výkon meraný vo wattoch. Výstupný výkon sa značne líši v závislosti od účelu zosilňovača, napríklad v zosilňovačoch zvuku – od miliwattov v slúchadlách až po desiatky a stovky wattov v audio systémoch.

• Frekvenčný rozsah, meraný v hertzoch. Napríklad rovnaký zvukový zosilňovač by mal zvyčajne poskytovať zisk vo frekvenčnom rozsahu 20–20 000 Hz a zosilňovač televízneho signálu (obraz + zvuk) — 20 Hz — 10 MHz a vyšší.

• Nelineárne skreslenie, merané v percentách %. Charakterizuje tvarové skreslenie zosilneného signálu. Vo všeobecnosti platí, že čím nižší je daný parameter, tým lepšie.

• Účinnosť (pomer účinnosti) sa meria v percentách.Ukazuje, koľko energie z napájacieho zdroja sa používa na rozptýlenie energie do záťaže. Faktom je, že časť výkonu zdroja je premrhaná, vo väčšej miere sú to tepelné straty — tok prúdu vždy spôsobí zahrievanie materiálu. Tento parameter je dôležitý najmä pre zariadenia s vlastným napájaním (z akumulátorov a batérií).

Obrázok 3 zobrazuje typický obvod predzosilňovača s bipolárnym tranzistorom. Vstupný signál pochádza zo zdroja napätia Uin Blokovacie kondenzátory Cp1 a Cp2 prepúšťajú premennú tzn. zosilnený signál a neprechádzajú jednosmerným prúdom, čo umožňuje vytvárať nezávislé prevádzkové režimy pre jednosmerný prúd v sériovo zapojených zosilňovacích stupňoch.

Obrázok 3 — Schéma zosilňovacieho stupňa bipolárneho tranzistora

Rezistory Rb1 a Rb2 sú hlavným deličom poskytujúcim štartovací prúd do bázy tranzistora Ib0, rezistor Rk poskytuje štartovací prúd kolektoru Ik0. Tieto prúdy sa nazývajú laminárne prúdy. Pri absencii vstupného signálu sú konštantné. Obrázok 4 ukazuje časové diagramy zosilňovača. Časový diagram je zmena parametra v čase.

Rezistor Re poskytuje negatívnu prúdovú spätnú väzbu (NF). Spätná väzba (OC) je prenos časti výstupného signálu do vstupného obvodu zosilňovača. Ak sú vstupný signál a signál spätnej väzby vo fáze opačné, spätná väzba sa považuje za negatívnu. OOS znižuje zisk, ale zároveň znižuje harmonické skreslenie a zvyšuje stabilitu zosilňovača. Používa sa takmer vo všetkých zosilňovačoch.

Rezistor Rf a kondenzátor Cf sú filtračné prvky.Kondenzátor Cf tvorí nízkoodporový obvod pre premennú zložku prúdu spotrebovaného zosilňovačom zo zdroja Up. Filtračné prvky sú potrebné, ak je zo zdroja napájaných niekoľko zdrojov zosilňovača.

Keď je privedený vstupný signál Uin, objaví sa prúd Ib ~ vo vstupnom obvode a vo výstupe Ik ~. Pokles napätia vytvorený prúdom Ik ~ cez záťaž Rn bude zosilnený výstupný signál.

Z dočasných diagramov napätí a prúdov (obr. 3) je vidieť, že premenné zložky napätí na vstupe Ub ~ a výstupe Uc ~ = Uout kaskády sú protifázové, t.j. stupeň zosilnenia OE tranzistora mení (invertuje) fázu vstupného signálu v opačnom smere.

Obrázok 4 – Časové diagramy prúdov a napätí v zosilňovacom stupni bipolárneho tranzistora

Operačný zosilňovač (OU) je DC/AC zosilňovač s vysokým ziskom a hlbokou negatívnou spätnou väzbou.

Umožňuje implementáciu veľkého počtu elektronických zariadení, ale tradične sa nazýva zosilňovač.

Dá sa povedať, že operačné zosilňovače sú chrbtovou kosťou celej analógovej elektroniky. Široké využitie operačných zosilňovačov je spojené s ich flexibilitou (schopnosť stavať na ich základe rôzne elektronické zariadenia, analógové aj pulzné), širokým frekvenčným rozsahom (zosilnenie jednosmerných a striedavých signálov), nezávislosťou hlavných parametrov od vonkajších destabilizujúcich faktory (zmena teploty, napájacie napätie atď.). Používajú sa hlavne integrované zosilňovače (IOU).

Prítomnosť slova "operatívny" v názve sa vysvetľuje možnosťou, že tieto zosilňovače môžu vykonávať množstvo matematických operácií - sčítanie, odčítanie, diferenciácia, integrácia atď.

Obrázok 5 zobrazuje UGO IEE.Zosilňovač má dva vstupy – vpred a vzad a jeden výstup. Keď je vstupný signál privedený na neinvertujúci (priamy) vstup, výstupný signál má rovnakú polaritu (fázu) – obrázok 5, a.

Obrázok 5 – Bežné grafické označenia operačných zosilňovačov

Pri použití invertujúceho vstupu sa fáza výstupného signálu posunie o 180° vzhľadom na fázu vstupného signálu (obrátená polarita) — obrázok 6, b. Reverzné vstupy a výstupy sú zakrúžkované.

Obrázok 6 – Časové diagramy operačného zosilňovača: a) – neinvertujúci, b) – invertujúci

Keď je na tapetu privedené napätie, výstupné napätie je úmerné rozdielu medzi vstupnými napätiami. Títo. invertujúci vstupný signál je akceptovaný znakom «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), kde K je zisk.

Obrázok 7 – Amplitúdová charakteristika operačného zosilňovača

Operačný zosilňovač je napájaný bipolárnym zdrojom, zvyčajne +15 V a -15 V. Povolené je aj unipolárne napájanie. Ostatné závery IOU sú označené tak, ako sa používajú.

Činnosť operačného zosilňovača je vysvetlená amplitúdovou charakteristikou - obrázok 8. Na charakteristike možno rozlíšiť lineárny úsek, v ktorom sa výstupné napätie zvyšuje úmerne so zvýšením vstupného napätia a dva úseky saturácie U + sedel a U- sat. Pri určitej hodnote vstupného napätia Uin.max prejde zosilňovač do saturačného režimu, v ktorom výstupné napätie nadobudne maximálnu hodnotu (pri hodnote Up = 15 V, približne Uns = 13 V) a zostáva nezmenené s ďalším zvýšenie vstupného signálu. Režim saturácie sa používa v impulzných zariadeniach založených na operačných zosilňovačoch.

Výkonové zosilňovače sa používajú v záverečných fázach zosilnenia a sú navrhnuté tak, aby vytvorili požadovaný výkon v záťaži.

Ich hlavnou vlastnosťou je prevádzka pri vysokých úrovniach vstupného signálu a vysokých výstupných prúdoch, čo si vyžaduje použitie výkonných zosilňovačov.

Zosilňovače môžu pracovať v režimoch A, AB, B, C a D.

V režime A je výstupný prúd zosilňovacieho zariadenia (tranzistora alebo elektrónky) otvorený po celú dobu zosilňovaného signálu (teda neustále) a preteká ním výstupný prúd. Výkonové zosilňovače triedy A prinášajú minimálne skreslenie do zosilneného signálu, ale majú veľmi nízku účinnosť.

V režime B je výstupný prúd rozdelený na dve časti, jeden zosilňovač zosilňuje kladnú polvlnu signálu, druhý zápornú. Výsledkom je vyššia účinnosť ako v režime A, ale aj veľké nelineárne skreslenia vznikajúce v momente spínania tranzistorov.

Režim AB opakuje režim B, avšak v momente prechodu z jednej polvlny na druhú sú oba tranzistory otvorené, čo umožňuje znížiť skreslenie pri zachovaní vysokej účinnosti. Režim AB je najbežnejší pre analógové zosilňovače.

Režim C sa používa v prípadoch, keď pri zosilňovaní nedochádza k skresleniu priebehu, pretože výstupný prúd zosilňovača tečie menej ako pol periódy, čo samozrejme vedie k veľkým skresleniam.

Režim D využíva konverziu vstupných signálov na impulzy, zosilnenie týchto impulzov a ich spätnú konverziu.Výstupné tranzistory v tomto prípade pracujú v kľúčovom režime (tranzistor je úplne uzavretý alebo úplne otvorený), čím sa účinnosť zosilňovača približuje k 100% (v režime AV účinnosť nepresahuje 50%). Zosilňovače pracujúce v režime D sa nazývajú digitálne zosilňovače.

V obvode push-pull dochádza k zosilneniu (režimy B a AB) v dvoch hodinových cykloch. Počas prvého polcyklu je vstupný signál zosilnený jedným tranzistorom a druhý je počas tohto polcyklu alebo jeho časti uzavretý. V druhej polovici cyklu je signál zosilnený druhým tranzistorom, zatiaľ čo prvý je vypnutý.

Posuvný obvod tranzistorového zosilňovača je znázornený na obrázku 8. Tranzistorový stupeň VT3 zabezpečuje tlačenie výstupných tranzistorov VT1 a VT2. Rezistory R1 a R2 nastavujú konštantný režim činnosti tranzistorov.

S príchodom negatívnej polvlny Uin sa kolektorový prúd VT3 zvyšuje, čo vedie k zvýšeniu napätia na bázach tranzistorov VT1 a VT2. V tomto prípade sa VT2 zatvára a cez VT1 prechádza kolektorový prúd cez obvod: + Up, prechod K-E VT1, C2 (počas nabíjania), Rn, puzdro.

Keď príde kladná polvlna, Uin VT3 sa uzavrie, čo vedie k zníženiu napätia na bázach tranzistorov VT1 a VT2 — VT1 sa zatvorí a cez VT2 prúdi kolektorový prúd obvodom: + C2, prechod EK VT2 , prípad, Rn, -C2. T

Tým je zabezpečené, že záťažou preteká prúd oboch polvĺn vstupného napätia.

Obrázok 8 - Schéma výkonového zosilňovača

V režime D pracujú zosilňovače s pulzne šírková modulácia (PWM)… Vstupný signál moduluje obdĺžnikové impulzyzmenou ich trvania.V tomto prípade je signál prevedený na pravouhlé impulzy s rovnakou amplitúdou, ktorých trvanie je úmerné hodnote signálu v ľubovoľnom časovom okamihu.

Séria impulzov sa privádza do tranzistora (tranzistorov) na zosilnenie. Pretože zosilnený signál je impulzný, tranzistor pracuje v kľúčovom režime. Prevádzka v kľúčovom režime je spojená s minimálnymi stratami, keďže tranzistor je buď zatvorený alebo úplne otvorený (má minimálny odpor).Po zosilnení je zo signálu extrahovaná nízkofrekvenčná zložka (zosilnený pôvodný signál) pomocou dolnopriepustného filtra ( LPF) a privádza sa do záťaže.

Obrázok 9 – Bloková schéma zosilňovača triedy D

Zosilňovače triedy D sa používajú v prenosných audio systémoch, mobilných komunikáciách, zariadeniach na ovládanie motora a ďalších.

Moderné zosilňovače sa vyznačujú rozšíreným používaním integrovaných obvodov.