Wzmacniacze elektroniczne w elektronice przemysłowej

Są to urządzenia przeznaczone do wzmacniania napięcia, prądu i mocy sygnału elektrycznego.

Najprostszym wzmacniaczem jest obwód tranzystorowy. Zastosowanie wzmacniaczy wynika z faktu, że zazwyczaj sygnały elektryczne (napięcia i prądy) dochodzące do urządzeń elektronicznych mają niewielką amplitudę i konieczne jest ich zwiększenie do niezbędnej wartości wystarczającej do dalszego wykorzystania (przetwarzanie, przesyłanie, zasilanie obciążenia) ).

Rysunek 1 przedstawia urządzenia wymagane do obsługi wzmacniacza.

Rysunek 1 — Środowisko wzmacniacza

Moc uwalniana, gdy wzmacniacz jest obciążony, to przetworzona moc jego zasilacza, a sygnał wejściowy tylko go napędza. Wzmacniacze zasilane są ze źródeł prądu stałego.

Zwykle wzmacniacz składa się z kilku stopni wzmacniających (rys. 2). Pierwsze stopnie wzmocnienia, przeznaczone głównie do wzmacniania napięcia sygnału, nazywane są przedwzmacniaczami. Ich obwody są określone przez rodzaj źródła sygnału wejściowego.

Stopień służący do wzmocnienia mocy sygnału nazywany jest terminalem lub wyjściem.Ich schemat zależy od rodzaju obciążenia. Ponadto wzmacniacz może zawierać stopnie pośrednie zaprojektowane w celu uzyskania niezbędnego wzmocnienia i (lub) ukształtowania niezbędnych właściwości wzmocnionego sygnału.

Rysunek 2 — Struktura wzmacniacza

Klasyfikacja wzmacniacza:

1) w zależności od wzmacnianego parametru, napięcia, prądu, wzmacniaczy mocy

2) ze względu na charakter wzmocnionych sygnałów:

• wzmacniacze sygnałów harmonicznych (ciągłych);

• wzmacniacze sygnału impulsowego (wzmacniacze cyfrowe).

3) w zakresie częstotliwości wzmacnianych:

• wzmacniacze prądu stałego;

• Wzmacniacze AC

• niska częstotliwość, wysoka, bardzo wysoka itp.

4) ze względu na charakter odpowiedzi częstotliwościowej:

• rezonansowe (wzmacniają sygnały w wąskim paśmie częstotliwości);

• pasmo przepustowe (wzmacnia określone pasmo częstotliwości);

• szerokopasmowy (wzmacnia cały zakres częstotliwości).

5) według rodzaju elementów wzmacniających:

• elektrycznych lamp próżniowych;

• na urządzeniach półprzewodnikowych;

• na układach scalonych.

Przy wyborze wzmacniacza wyjdź z parametrów wzmacniacza:

• moc wyjściowa mierzona w watach. Moc wyjściowa różni się znacznie w zależności od przeznaczenia wzmacniacza, na przykład we wzmacniaczach dźwięku — od miliwatów w słuchawkach do dziesiątek i setek watów w systemach audio.

• Zakres częstotliwości mierzony w hercach. Na przykład ten sam wzmacniacz audio powinien zwykle zapewniać wzmocnienie w zakresie częstotliwości 20–20 000 Hz, a wzmacniacz sygnału telewizyjnego (obraz + dźwięk) — 20 Hz — 10 MHz i więcej.

• Zniekształcenie nieliniowe mierzone w procentach. Charakteryzuje zniekształcenie kształtu wzmocnionego sygnału. Generalnie im niższy dany parametr, tym lepiej.

• Sprawność (współczynnik sprawności) mierzona jest w procentach%.Pokazuje, ile mocy z zasilacza jest używane do rozproszenia mocy w obciążeniu. Faktem jest, że część mocy źródła jest marnowana, w większym stopniu są to straty ciepła — przepływ prądu zawsze powoduje nagrzewanie się materiału. Ten parametr jest szczególnie ważny dla urządzeń samozasilających się (z akumulatorów i baterii).

Rysunek 3 przedstawia typowy obwód przedwzmacniacza z tranzystorem bipolarnym. Sygnał wejściowy pochodzi ze źródła napięciowego Uin.Kondensatory blokujące Cp1 i Cp2 przepuszczają zmienną tj. wzmacniany sygnał i nie przepuszczają prądu stałego, co umożliwia tworzenie niezależnych trybów pracy dla prądu stałego w stopniach wzmacniacza połączonych szeregowo.

Rysunek 3 — Schemat stopnia wzmacniacza tranzystora bipolarnego

Rezystory Rb1 i Rb2 są głównym dzielnikiem dostarczającym prąd rozruchowy do bazy tranzystora Ib0, rezystor Rk dostarcza prąd rozruchowy do kolektora Ik0. Prądy te nazywane są prądami laminarnymi. W przypadku braku sygnału wejściowego są one stałe. Rysunek 4 przedstawia schematy taktowania wzmacniacza. Wykres czasowy to zmiana parametru w czasie.

Rezystor Re zapewnia ujemne sprzężenie zwrotne prądu (NF). Sprzężenie zwrotne (OC) to przeniesienie części sygnału wyjściowego do obwodu wejściowego wzmacniacza. Jeśli sygnał wejściowy i sygnał sprzężenia zwrotnego mają przeciwną fazę, mówi się, że sprzężenie zwrotne jest ujemne. OOS zmniejsza wzmocnienie, ale jednocześnie zmniejsza zniekształcenia harmoniczne i zwiększa stabilność wzmacniacza. Jest stosowany w prawie wszystkich wzmacniaczach.

Rezystor Rf i kondensator Cf są elementami filtrującymi.Kondensator Cf tworzy obwód o niskiej rezystancji dla zmiennej składowej prądu pobieranego przez wzmacniacz ze źródła Up. Elementy filtrujące są konieczne, jeśli ze źródła zasilanych jest kilka źródeł wzmacniacza.

Po przyłożeniu sygnału wejściowego Uin w obwodzie wejściowym pojawia się prąd Ib ~, a na wyjściu Ik ~. Spadek napięcia wytworzony przez prąd Ik ~ przez obciążenie Rn będzie wzmocnionym sygnałem wyjściowym.

Z tymczasowych wykresów napięć i prądów (ryc. 3) widać, że składowe zmienne napięć na wejściu Ub ~ i na wyjściu Uc ~ = Upoza kaskadą są przeciwfazowe, tj. stopień wzmocnienia tranzystora OE zmienia (odwraca) fazę sygnału wejściowego w przeciwnym kierunku.

Rysunek 4 — Wykresy czasowe prądów i napięć w stopniu wzmacniacza tranzystora bipolarnego

Wzmacniacz operacyjny (OU) to wzmacniacz DC/AC o dużym wzmocnieniu i głębokim ujemnym sprzężeniu zwrotnym.

Pozwala na realizację dużej liczby urządzeń elektronicznych, ale tradycyjnie nazywany jest wzmacniaczem.

Można powiedzieć, że wzmacniacze operacyjne są podstawą całej analogowej elektroniki. Szerokie zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych wiąże się z ich elastycznością (możliwość budowy na ich bazie różnorodnych urządzeń elektronicznych, zarówno analogowych, jak i impulsowych), szerokim zakresem częstotliwości (wzmacnianie sygnałów DC i AC), niezależnością głównych parametrów od zewnętrznych czynników destabilizujących. czynników (zmiana temperatury, napięcie zasilania itp.). Stosowane są głównie wzmacniacze zintegrowane (IOU).

Obecność słowa „operacyjny” w nazwie tłumaczy się możliwością wykonywania przez te wzmacniacze szeregu operacji matematycznych – dodawania, odejmowania, różniczkowania, całkowania itp.

Rysunek 5 przedstawia UGO IEE.Wzmacniacz ma dwa wejścia — do przodu i do tyłu oraz jedno wyjście. Gdy sygnał wejściowy jest doprowadzany do wejścia nieodwracającego (bezpośredniego), sygnał wyjściowy ma tę samą polaryzację (fazę) — rysunek 5, a.

Rysunek 5 — Konwencjonalne oznaczenia graficzne wzmacniaczy operacyjnych

Przy zastosowaniu wejścia odwracającego faza sygnału wyjściowego zostanie przesunięta o 180° względem fazy sygnału wejściowego (odwrócona polaryzacja) — rysunek 6, b. Odwrotne wejścia i wyjścia są zakreślone.

Rysunek 6 — Diagramy czasowe wzmacniacza operacyjnego: a) — nieodwracający, b) — odwracający

Kiedy napięcie jest przykładane do tapety, napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do różnicy między napięciami wejściowymi. Te. odwracający sygnał wejściowy jest akceptowany znakiem «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), gdzie K jest wzmocnieniem.

Rysunek 7 — Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz operacyjny jest zasilany ze źródła bipolarnego, zwykle +15 V i -15 V. Dozwolone jest również zasilanie unipolarne. Pozostałe konkluzje IOU są wskazane w miarę ich stosowania.

Działanie wzmacniacza operacyjnego wyjaśnia charakterystyka amplitudowa - rysunek 8. Na charakterystyce można wyróżnić odcinek liniowy, w którym napięcie wyjściowe rośnie proporcjonalnie do wzrostu napięcia wejściowego oraz dwa odcinki nasycenia U + siedział i U- siedział. Przy określonej wartości napięcia wejściowego Uin.max wzmacniacz przechodzi w tryb nasycenia, w którym napięcie wyjściowe przyjmuje wartość maksymalną (przy wartości Up = 15 V, w przybliżeniu Uns = 13 V) i pozostaje niezmienione przy dalszym wzrost sygnału wejściowego. Tryb nasycenia stosowany jest w urządzeniach impulsowych opartych na wzmacniaczach operacyjnych.

Wzmacniacze mocy są używane w końcowych etapach wzmacniania i mają na celu wytworzenie wymaganej mocy w obciążeniu.

Ich główną cechą jest praca przy wysokich poziomach sygnału wejściowego i dużych prądach wyjściowych, co wymusza stosowanie mocnych wzmacniaczy.

Wzmacniacze mogą pracować w trybach A, AB, B, C i D.

W trybie A prąd wyjściowy urządzenia wzmacniającego (tranzystora lub lampy elektronicznej) jest otwarty przez cały okres wzmacnianego sygnału (tj. w sposób ciągły) i przepływa przez niego prąd wyjściowy. Wzmacniacze mocy klasy A wprowadzają minimalne zniekształcenia do wzmacnianego sygnału, ale mają bardzo niską wydajność.

W trybie B prąd wyjściowy jest dzielony na dwie części, jeden wzmacniacz wzmacnia dodatnią półfalę sygnału, drugi ujemny. W efekcie wyższa sprawność niż w trybie A, ale i duże zniekształcenia nieliniowe występujące w momencie przełączania tranzystorów.

Tryb AB powtarza tryb B, ale w momencie przejścia z jednej półfali na drugą oba tranzystory są otwarte, co pozwala na redukcję zniekształceń przy zachowaniu wysokiej sprawności. Tryb AB jest najczęściej stosowany we wzmacniaczach analogowych.

Tryb C stosuje się w przypadkach, gdy podczas wzmacniania nie dochodzi do zniekształceń przebiegu, ponieważ prąd wyjściowy wzmacniacza płynie przez mniej niż połowę okresu, co oczywiście prowadzi do dużych zniekształceń.

Tryb D wykorzystuje konwersję sygnałów wejściowych na impulsy, wzmacnianie tych impulsów, a następnie przekształcanie ich z powrotem.W tym przypadku tranzystory wyjściowe pracują w trybie kluczowym (tranzystor jest całkowicie zamknięty lub całkowicie otwarty), co przybliża sprawność wzmacniacza do 100% (w trybie AV sprawność nie przekracza 50%). Wzmacniacze pracujące w trybie D nazywane są wzmacniaczami cyfrowymi.

W obwodzie przeciwsobnym wzmocnienie (mody B i AB) występuje w dwóch cyklach zegara. Podczas pierwszego półokresu sygnał wejściowy jest wzmacniany przez jeden tranzystor, a drugi jest zamykany podczas tego półokresu lub jego części. W drugim półokresie sygnał jest wzmacniany przez drugi tranzystor, podczas gdy pierwszy jest wyłączany.

Obwód ślizgowy wzmacniacza tranzystorowego pokazano na rysunku 8. Stopień tranzystorowy VT3 zapewnia impuls do tranzystorów wyjściowych VT1 i VT2. Rezystory R1 i R2 ustawiają stały tryb pracy tranzystorów.

Wraz z nadejściem ujemnej półfali Uin wzrasta prąd kolektora VT3, co prowadzi do wzrostu napięcia na podstawach tranzystorów VT1 i VT2. W tym przypadku VT2 zamyka się i przez VT1 prąd kolektora przepływa przez obwód: + Up, przejście K-E VT1, C2 (podczas ładowania), Rn, obudowa.

Gdy nadejdzie dodatnia półfala, Uin VT3 zamyka się, co prowadzi do spadku napięcia na podstawach tranzystorów VT1 i VT2 - VT1 zamyka się, a przez VT2 prąd kolektora przepływa przez obwód: + C2, przejście EK VT2 , przypadek, Rn, -C2 . T

Zapewnia to przepływ prądu obu półfal napięcia wejściowego przez obciążenie.

Rysunek 8 — Schemat wzmacniacza mocy

W trybie D wzmacniacze działają z modulacja szerokości impulsu (PWM)… Sygnał wejściowy moduluje się prostokątne impulsyzmieniając czas ich trwania.W tym przypadku sygnał jest przetwarzany na prostokątne impulsy o tej samej amplitudzie, których czas trwania jest proporcjonalny do wartości sygnału w dowolnym momencie.

Ciąg impulsów jest podawany do tranzystora (tranzystorów) w celu wzmocnienia. Ponieważ wzmocniony sygnał jest impulsowy, tranzystor pracuje w trybie klucza. Praca w trybie klucza wiąże się z minimalnymi stratami, ponieważ tranzystor jest albo zamknięty, albo całkowicie otwarty (ma minimalną rezystancję).Po wzmocnieniu składowa niskoczęstotliwościowa (wzmocniony sygnał oryginalny) jest ekstrahowana z sygnału za pomocą filtra dolnoprzepustowego ( LPF) i podawane do ładunku.

Rysunek 9 — Schemat blokowy wzmacniacza klasy D

Wzmacniacze klasy D są używane w laptopowych systemach audio, komunikacji mobilnej, urządzeniach do sterowania silnikami i nie tylko.

Nowoczesne wzmacniacze charakteryzują się powszechnym zastosowaniem układów scalonych.