Elektronikus erősítők az ipari elektronikában

Ezeket az eszközöket arra tervezték, hogy erősítsék az elektromos jelek feszültségét, áramát és teljesítményét.

A legegyszerűbb erősítő egy tranzisztoros áramkör. Az erősítők használata abból adódik, hogy az elektronikai eszközökbe bejutó elektromos jelek (feszültségek és áramok) általában kis amplitúdójúak, és ezeket a további felhasználáshoz (átalakítás, átvitel, terhelés tápellátása) szükséges értékre kell növelni. ).

Az 1. ábra az erősítő működtetéséhez szükséges eszközöket mutatja be.

1. ábra – Erősítő környezet

Az erősítő terhelésekor felszabaduló teljesítmény a tápegység átalakított teljesítménye, és a bemeneti jel csak hajtja. Az erősítők tápellátását egyenáramú forrás biztosítja.

Általában az erősítő több erősítési fokozatból áll (2. ábra). Az erősítés első fokozatait, amelyeket főként a jelfeszültség erősítésére terveztek, előerősítőknek nevezzük. Áramköreiket a bemeneti jelforrás típusa határozza meg.

Azt a fokozatot, amely a jel teljesítményének erősítésére szolgál, terminálnak vagy kimenetnek nevezzük.Sémájukat a terhelés típusa határozza meg. Az erősítő tartalmazhat közbenső fokozatokat is, amelyek célja a szükséges erősítés és (vagy) az erősített jel szükséges jellemzőinek kialakítása.

2. ábra – Erősítő felépítése

Az erősítő besorolása:

1) az erősített paramétertől, feszültségtől, áramerősségtől, teljesítményerősítőktől függően

2) az erősített jelek természetétől függően:

• Harmonikus (folyamatos) jelek erősítői;

• impulzusjel-erősítők (digitális erősítők).

3) az erősített frekvenciák tartományában:

• DC erősítők;

• AC erősítők

• alacsony frekvencia, magas, ultra magas stb.

4) a frekvenciamenet jellege szerint:

• rezonáns (szűk frekvenciasávban erősíti a jeleket);

• sáváteresztő (egy bizonyos frekvenciasávot erősít);

• szélessávú (a teljes frekvenciatartományt felerősíti).

5) az erősítő elemek típusa szerint:

• elektromos vákuumlámpák;

• félvezető eszközökön;

• integrált áramkörökön.

Az erősítő kiválasztásakor lépjen ki az erősítő paraméterei közül:

• kimenő teljesítmény wattban mérve. A kimeneti teljesítmény az erősítő rendeltetésétől függően nagymértékben változik, például hangerősítőkben – a fejhallgató milliwattjaitól az audiorendszerek tíz és száz wattáig.

• Frekvencia tartomány, hertzben mérve. Például ugyanannak az audioerősítőnek általában a 20–20 000 Hz-es frekvenciatartományban, a televíziós jelerősítőnek pedig (kép + hang) – 20 Hz – 10 MHz és magasabb.

• Nemlineáris torzítás, százalékban mérve. Az erősített jel alaktorzulását jellemzi. Általában minél alacsonyabb egy adott paraméter, annál jobb.

• A hatékonyságot (hatékonysági arányt) százalékban mérik.Megmutatja, hogy a tápegység mennyi energiát használ fel a terhelésbe történő áramelosztásra. Az a tény, hogy a forrás energiájának egy része elpazarol, nagyobb mértékben hőveszteségről van szó - az áram áramlása mindig az anyag melegítését okozza. Ez a paraméter különösen fontos a saját tápellátású (akkumulátorból és elemből) működő eszközök esetében.

A 3. ábra egy tipikus bipoláris tranzisztoros előerősítő áramkört mutat be. A bemeneti jel az Uin feszültségforrásról érkezik. A Cp1 és Cp2 blokkolókondenzátorok átengedik az pl. felerősített jelet és nem engedi át az egyenáramot, ami lehetővé teszi az egyenáram független működési módok létrehozását sorosan kapcsolt erősítő fokozatokban.

3. ábra – A bipoláris tranzisztor erősítő fokozatának diagramja

Az Rb1 és Rb2 ellenállások az Ib0 tranzisztor bázisának indítóáramot biztosító főelosztó, az Rk ellenállás pedig az Ik0 kollektor indítóáramot. Ezeket az áramokat lamináris áramoknak nevezzük. Bemeneti jel hiányában ezek állandóak. A 4. ábra az erősítő időzítési diagramjait mutatja. Az idődiagram egy paraméter időbeli változása.

Az Re ellenállás negatív áramvisszacsatolást (NF) biztosít. A visszacsatolás (OC) a kimeneti jel egy részének átvitele az erősítő bemeneti áramkörébe. Ha a bemeneti jel és a visszacsatoló jel fázisban ellentétes, akkor a visszacsatolás negatívnak mondható. Az OOS csökkenti az erősítést, ugyanakkor csökkenti a harmonikus torzítást és növeli az erősítő stabilitását. Szinte minden erősítőben használják.

Az Rf ellenállás és a Cf kondenzátor szűrőelemek.A Cf kondenzátor kis ellenállású áramkört képez az erősítő által az Up forrásból felvett áram változó összetevője számára. Szűrőelemekre van szükség, ha a forrásból több erősítőforrást táplálunk.

Ha Uin bemeneti jelet alkalmazunk, az Ib ~ áram megjelenik a bemeneti áramkörben és az Ik ~ kimeneten. Az Rn terhelésen áthaladó Ik ~ áram által létrehozott feszültségesés lesz a felerősített kimeneti jel.

A feszültségek és áramok ideiglenes diagramjaiból (3. ábra) látható, hogy a kaszkádból az Ub ~ bemeneten és a Uc ~ = Ukimeneten lévő feszültségek változó összetevői antifázisúak, i. az OE tranzisztor erősítési fokozata ellentétes irányba változtatja (invertálja) a bemeneti jel fázisát.

4. ábra – Az áramok és feszültségek időzítési diagramja bipoláris tranzisztor erősítő fokozatában

A műveleti erősítő (OU) egy nagy erősítéssel és mély negatív visszacsatolással rendelkező DC/AC erősítő.

Lehetővé teszi nagyszámú elektronikus eszköz megvalósítását, de hagyományosan erősítőnek nevezik.

Elmondhatjuk, hogy a műveleti erősítők képezik az összes analóg elektronika gerincét. A műveleti erősítők széleskörű felhasználása a rugalmasságukkal (az analóg és az impulzusos elektronikus eszközök építésének képessége), a széles frekvenciatartományukkal (DC és AC jelek erősítése), a fő paraméterek függetlenségével a külső destabilizációtól függ. tényezők (hőmérsékletváltozás, tápfeszültség stb.). Elsősorban integrált erősítőket (IOU) használnak.

Az „operational” szó jelenléte a névben azzal magyarázható, hogy ezek az erősítők számos matematikai műveletet – összeadást, kivonást, differenciálást, integrálást stb.

Az 5. ábra az UGO IEE-t mutatja.Az erősítőnek két bemenete van - előre és hátra, valamint egy kimenete. Ha a bemeneti jel nem invertáló (közvetlen) bemenetre kerül, a kimeneti jel polaritása (fázisa) azonos – 5. ábra, a.

5. ábra – A műveleti erősítők hagyományos grafikai jelölései

Az invertáló bemenet használatakor a kimeneti jel fázisa 180°-kal eltolódik a bemeneti jel fázisához képest (a polaritás megfordítva) — 6. ábra, b. A fordított bemenetek és kimenetek bekarikázva vannak.

6. ábra – Az op-erősítő idődiagramjai: a) – nem invertáló, b) – invertáló

Amikor feszültséget kapcsolunk a tapétára, a kimeneti feszültség arányos a bemeneti feszültségek különbségével. Ezek. az invertáló bemeneti jelet «-« jellel fogadjuk. Uout = K (Uneinv — Uinv), ahol K az erősítés.

7. ábra – A műveleti erősítő amplitúdója

Az op-erősítőt bipoláris forrás táplálja, általában +15V és -15V. Egypólusú táp is megengedett. Az IOU többi következtetését a felhasználásukkor jelezzük.

Az op-amp működését az amplitúdó karakterisztika magyarázza - 8. ábra A karakterisztikán megkülönböztethető egy lineáris szakasz, amelyben a kimeneti feszültség arányosan nő a bemeneti feszültség növekedésével, valamint két U + telítési szakasz. sat és U- sat. Az Uin.max bemeneti feszültség egy bizonyos értékénél az erősítő telítési üzemmódba lép, amelyben a kimeneti feszültség maximális értéket vesz fel (Up = 15 V értéknél kb. Uns = 13 V), és változatlan marad a további értékekkel. a bemeneti jel növekedése. A telítési módot a műveleti erősítőkön alapuló impulzuskészülékekben használják.

A teljesítményerősítőket az erősítés utolsó szakaszában használják, és úgy tervezték, hogy a terhelésben a szükséges teljesítményt biztosítsák.

Fő jellemzőjük a magas bemeneti jelszinteken és nagy kimeneti áramokon való működés, ami nagy teljesítményű erősítők használatát teszi szükségessé.

Az erősítők A, AB, B, C és D módban működhetnek.

A módban az erősítő eszköz (tranzisztor vagy elektronikus cső) kimenő árama az erősített jel teljes időtartama alatt (azaz folyamatosan) nyitva van, és a kimeneti áram átfolyik rajta. Az A osztályú teljesítményerősítők minimális torzítást okoznak az erősített jelben, de nagyon alacsony hatásfokkal rendelkeznek.

A B üzemmódban a kimeneti áram két részre oszlik, az egyik erősítő a jel pozitív félhullámát erősíti, a második negatív. Ennek eredményeként az A módhoz képest nagyobb hatásfok, de a tranzisztorok kapcsolási pillanatában fellépő nagy nemlineáris torzítások is.

Az AB mód megismétli a B módot, de az egyik félhullámról a másikra való átmenet pillanatában mindkét tranzisztor nyitva van, ami lehetővé teszi a torzítások csökkentését a magas hatásfok megőrzése mellett. Az AB mód a leggyakoribb az analóg erősítőknél.

A C módot olyan esetekben alkalmazzuk, amikor az erősítés során nem torzul a hullámforma, mert az erősítő kimeneti árama fél periódusnál rövidebb ideig folyik, ami természetesen nagy torzulásokhoz vezet.

A D mód a bemeneti jeleket impulzusokká alakítja, felerősíti, majd visszakonvertálja.Ebben az esetben a kimeneti tranzisztorok kulcs módban működnek (a tranzisztor teljesen zárt vagy teljesen nyitott), ami az erősítő hatékonyságát közelebb hozza a 100% -hoz (AV módban a hatásfok nem haladja meg az 50%). A D módban működő erősítőket digitális erősítőknek nevezzük.

A push-pull áramkörben az erősítés (B és AB mód) két órajelben történik. Az első félciklus során a bemeneti jelet az egyik tranzisztor erősíti, a másik pedig ebben a félperiódusban vagy annak egy részében zárva van. A második félciklusban a jelet a második tranzisztor erősíti, míg az elsőt kikapcsolja.

A tranzisztoros erősítő csúszó áramköre a 8. ábrán látható. A VT3 tranzisztorfokozat lökést ad a VT1 és VT2 kimeneti tranzisztoroknak. Az R1 és R2 ellenállások beállítják a tranzisztorok állandó működési módját.

A negatív félhullámú Uin érkezésével a VT3 kollektoráram növekszik, ami a VT1 és VT2 tranzisztorok bázisán a feszültség növekedéséhez vezet. Ebben az esetben a VT2 zár és a VT1-en keresztül a kollektoráram áthalad az áramkörön: + Fel, átmenet K-E VT1, C2 (töltés közben), Rn, tok.

Amikor pozitív félhullám érkezik, az Uin VT3 zár, ami a VT1 és VT2 tranzisztorok bázisán a feszültség csökkenéséhez vezet - VT1 zár, és a VT2-n keresztül a kollektoráram áthalad az áramkörön: + C2, átmenet EK VT2 , eset, Rn, -C2 . T

Ez biztosítja, hogy a bemeneti feszültség mindkét félhullámának árama áthaladjon a terhelésen.

8. ábra – A teljesítményerősítő vázlata

D módban az erősítők a következővel működnek impulzusszélesség moduláció (PWM)… A bemeneti jel modulál téglalap alakú impulzusokidőtartamuk megváltoztatásával.Ebben az esetben a jel azonos amplitúdójú téglalap alakú impulzusokká alakul, amelyek időtartama arányos a jel bármely pillanatban fennálló értékével.

Az impulzussorozatot a tranzisztor(ok)ra táplálják erősítés céljából. Mivel az erősített jel impulzusos, a tranzisztor kulcs módban működik. A kulcsos üzemmódban történő működés minimális veszteséggel jár, mivel a tranzisztor zárt vagy teljesen nyitott (minimális ellenállása van) Erősítés után a jelből a kisfrekvenciás komponenst (erősített eredeti jel) aluláteresztő szűrő segítségével vonják ki ( LPF) és a rakományhoz tápláljuk.

9. ábra – D osztályú erősítő blokkvázlata

A D osztályú erősítőket laptop audiorendszerekben, mobilkommunikációban, motorvezérlő eszközökben és egyebekben használják.

A modern erősítőket az integrált áramkörök széles körű használata jellemzi.