Elektronické zesilovače v průmyslové elektronice

Jedná se o zařízení určená k zesílení napětí, proudu a výkonu elektrického signálu.

Nejjednodušší zesilovač je tranzistorový obvod. Použití zesilovačů je dáno tím, že obvykle elektrické signály (napětí a proudy) vstupující do elektronických zařízení mají malou amplitudu a je nutné je zvýšit na potřebnou hodnotu postačující pro další použití (převod, přenos, napájení zátěže ).

Obrázek 1 ukazuje zařízení potřebná pro provoz zesilovače.

Obrázek 1 – Prostředí zesilovače

Výkon uvolněný při zatížení zesilovače je převedený výkon jeho napájecího zdroje a vstupní signál jej pouze pohání. Zesilovače jsou napájeny zdroji stejnosměrného proudu.

Obvykle se zesilovač skládá z několika zesilovacích stupňů (obr. 2). První stupně zesílení, určené především k zesílení signálového napětí, se nazývají předzesilovače. Jejich obvody jsou určeny typem zdroje vstupního signálu.

Stupeň, který slouží k zesílení výkonu signálu, se nazývá terminál nebo výstup.Jejich schéma je určeno typem zatížení. Zesilovač může také obsahovat mezistupně navržené pro získání potřebného zesílení a (nebo) pro vytvoření nezbytných charakteristik zesíleného signálu.

Obrázek 2 – Struktura zesilovače

Klasifikace zesilovače:

1) v závislosti na zesíleném parametru, napětí, proudu, výkonových zesilovačích

2) podle povahy zesílených signálů:

• zesilovače harmonických (spojitých) signálů;

• zesilovače pulzního signálu (digitální zesilovače).

3) v rozsahu zesílených frekvencí:

• DC zesilovače;

• AC zesilovače

• nízká frekvence, vysoká, ultra vysoká atd.

4) podle povahy frekvenční odezvy:

• rezonanční (zesilují signály v úzkém frekvenčním pásmu);

• pásmová propust (zesiluje určité frekvenční pásmo);

• širokopásmové (zesiluje celý frekvenční rozsah).

5) podle typu výztužných prvků:

• elektrických vakuových lamp;

• na polovodičových zařízeních;

• na integrovaných obvodech.

Při výběru zesilovače opusťte parametry zesilovače:

• výstupní výkon měřený ve wattech. Výstupní výkon se značně liší v závislosti na účelu zesilovače, například u zesilovačů zvuku — od miliwattů ve sluchátkách po desítky a stovky wattů v audio systémech.

• Frekvenční rozsah, měřeno v hertzech. Například stejný audio zesilovač by měl obvykle poskytovat zisk ve frekvenčním rozsahu 20–20 000 Hz a zesilovač televizního signálu (obraz + zvuk) — 20 Hz — 10 MHz a vyšší.

• Nelineární zkreslení, měřeno v procentech %. Charakterizuje tvarové zkreslení zesíleného signálu. Obecně platí, že čím nižší je daný parametr, tím lépe.

• Účinnost (poměr účinnosti) se měří v procentech.Ukazuje, kolik energie ze zdroje je spotřebováno k rozptýlení energie do zátěže. Část výkonu zdroje se totiž vyplýtvá, ve větší míře se jedná o tepelné ztráty — tok proudu vždy způsobí ohřev materiálu. Tento parametr je důležitý zejména u zařízení s vlastním napájením (z akumulátorů a baterií).

Obrázek 3 ukazuje typický obvod bipolárního tranzistorového předzesilovače. Vstupní signál pochází ze zdroje napětí Uin Blokovací kondenzátory Cp1 a Cp2 propouštějí proměnnou tzn. zesílený signál a nepropouštějí stejnosměrný proud, což umožňuje vytvářet nezávislé provozní režimy pro stejnosměrný proud v sériově zapojených zesilovacích stupních.

Obrázek 3 — Schéma zesilovacího stupně bipolárního tranzistoru

Rezistory Rb1 a Rb2 jsou hlavním děličem poskytujícím startovací proud do báze tranzistoru Ib0, rezistor Rk poskytuje startovací proud kolektoru Ik0. Tyto proudy se nazývají laminární proudy. Při absenci vstupního signálu jsou konstantní. Obrázek 4 ukazuje časové diagramy zesilovače. Časový graf je změna parametru v čase.

Rezistor Re poskytuje negativní proudovou zpětnou vazbu (NF). Zpětná vazba (OC) je přenos části výstupního signálu do vstupního obvodu zesilovače. Pokud jsou vstupní signál a signál zpětné vazby ve fázi opačné, říká se, že zpětná vazba je záporná. OOS snižuje zisk, ale zároveň snižuje harmonické zkreslení a zvyšuje stabilitu zesilovače. Používá se téměř ve všech zesilovačích.

Rezistor Rf a kondenzátor Cf jsou filtrační prvky.Kondenzátor Cf tvoří nízkoodporový obvod pro proměnnou složku proudu odebíraného zesilovačem ze zdroje Up. Filtrační prvky jsou nutné, pokud je ze zdroje napájeno více zdrojů zesilovače.

Když je přiveden vstupní signál Uin, objeví se proud Ib ~ ve vstupním obvodu a ve výstupu Ik ~. Pokles napětí vytvořený proudem Ik ~ zátěží Rn bude zesíleným výstupním signálem.

Z dočasných diagramů napětí a proudů (obr. 3) je vidět, že proměnné složky napětí na vstupu Ub ~ a výstupu Uc ~ = Uout kaskády jsou protifázové, tzn. stupeň zesílení OE tranzistoru mění (invertuje) fázi vstupního signálu v opačném směru.

Obrázek 4 – Časové diagramy proudů a napětí v zesilovacím stupni bipolárního tranzistoru

Operační zesilovač (OU) je DC/AC zesilovač s vysokým ziskem a hlubokou negativní zpětnou vazbou.

Umožňuje implementaci velkého množství elektronických zařízení, ale tradičně se nazývá zesilovač.

Můžeme říci, že operační zesilovače jsou páteří veškeré analogové elektroniky. Široké použití operačních zesilovačů je spojeno s jejich flexibilitou (schopnost stavět na jejich základě různá elektronická zařízení, analogová i pulzní), širokým frekvenčním rozsahem (zesílení stejnosměrných a střídavých signálů), nezávislostí hlavních parametrů na vnějších destabilizačních faktory (změna teploty, napájecí napětí atd.). Používají se především integrované zesilovače (IOU).

Přítomnost slova "provozní" v názvu je vysvětlena možností, že tyto zesilovače mohou provádět řadu matematických operací - sčítání, odčítání, derivování, integrace atd.

Obrázek 5 ukazuje UGO IEE.Zesilovač má dva vstupy — vpřed a vzad a jeden výstup. Když je vstupní signál přiveden na neinvertující (přímý) vstup, výstupní signál má stejnou polaritu (fázi) — Obrázek 5,a.

Obrázek 5 — Konvenční grafické označení operačních zesilovačů

Při použití invertujícího vstupu bude fáze výstupního signálu posunuta o 180° vzhledem k fázi vstupního signálu (obrácená polarita) — obrázek 6,b. Reverzní vstupy a výstupy jsou zakroužkované.

Obrázek 6 — Časové diagramy operačního zesilovače: a) — neinvertující, b) — invertující

Když se na tapetu přivede napětí, výstupní napětí je úměrné rozdílu mezi vstupními napětími. Tyto. invertující vstupní signál je akceptován se znaménkem «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), kde K je zisk.

Obrázek 7 – Amplitudová charakteristika operačního zesilovače

Operační zesilovač je napájen bipolárním zdrojem, obvykle +15 V a -15 V. Povoleno je také unipolární napájení. Zbývající závěry IOU jsou označeny tak, jak jsou používány.

Činnost operačního zesilovače je vysvětlena amplitudovou charakteristikou - obrázek 8. Na charakteristice lze rozlišit lineární úsek, ve kterém výstupní napětí roste úměrně s nárůstem vstupního napětí, a dva úseky saturace U + seděl a U- seděl. Při určité hodnotě vstupního napětí Uin.max přejde zesilovač do saturačního režimu, ve kterém výstupní napětí nabývá maximální hodnoty (při hodnotě Up = 15 V, přibližně Uns = 13 V) a zůstává nezměněno s dalším zvýšení vstupního signálu. Režim saturace se používá u pulzních zařízení založených na operačních zesilovačích.

Výkonové zesilovače se používají v konečných fázích zesílení a jsou určeny k vytvoření požadovaného výkonu v zátěži.

Jejich hlavní vlastností je provoz při vysokých úrovních vstupního signálu a vysokých výstupních proudech, což vyžaduje použití výkonných zesilovačů.

Zesilovače mohou pracovat v režimech A, AB, B, C a D.

V režimu A je výstupní proud zesilovacího zařízení (tranzistoru nebo elektronky) otevřen po celou dobu zesíleného signálu (tj. neustále) a protéká jím výstupní proud. Výkonové zesilovače třídy A vnášejí do zesíleného signálu minimální zkreslení, ale mají velmi nízkou účinnost.

V režimu B je výstupní proud rozdělen na dvě části, jeden zesilovač zesiluje kladnou půlvlnu signálu, druhý zápornou. V důsledku toho vyšší účinnost než v režimu A, ale také velká nelineární zkreslení vznikající v okamžiku spínání tranzistorů.

Režim AB opakuje režim B, ale v okamžiku přechodu z jedné půlvlny na druhou jsou oba tranzistory otevřené, což umožňuje snížit zkreslení při zachování vysoké účinnosti. Režim AB je nejběžnější pro analogové zesilovače.

Režim C se používá v případech, kdy při zesílení nedochází ke zkreslení průběhu, protože výstupní proud zesilovače teče méně než půl periody, což samozřejmě vede k velkým zkreslením.

Režim D využívá konverzi vstupních signálů na impulsy, tyto impulsy zesílí a poté je převede zpět.Výstupní tranzistory v tomto případě pracují v klíčovém režimu (tranzistor je plně uzavřen nebo plně otevřen), čímž se účinnost zesilovače přibližuje 100 % (v režimu AV účinnost nepřesahuje 50 %). Zesilovače pracující v režimu D se nazývají digitální zesilovače.

V obvodu push-pull dochází k zesílení (režimy B a AB) ve dvou hodinových cyklech. Během prvního půlcyklu je vstupní signál zesilován jedním tranzistorem a druhý je během tohoto půlcyklu nebo jeho části uzavřen. Ve druhé půlperiodě je signál zesílen druhým tranzistorem, zatímco první je vypnutý.

Kluzný obvod tranzistorového zesilovače je znázorněn na obrázku 8. Tranzistorový stupeň VT3 zajišťuje tlačení výstupních tranzistorů VT1 a VT2. Rezistory R1 a R2 nastavují konstantní režim činnosti tranzistorů.

S příchodem záporné půlvlny Uin se kolektorový proud VT3 zvyšuje, což vede ke zvýšení napětí na bázích tranzistorů VT1 a VT2. V tomto případě se VT2 uzavře a přes VT1 prochází kolektorový proud obvodem: + Up, přechod K-E VT1, C2 (během nabíjení), Rn, pouzdro.

Když přijde kladná půlvlna, Uin VT3 se uzavře, což vede ke snížení napětí na bázích tranzistorů VT1 a VT2 — VT1 se uzavře a přes VT2 proudí kolektorový proud obvodem: + C2, přechod EK VT2 , případ, Rn, -C2. T

Tím je zajištěno, že zátěží protéká proud obou půlvln vstupního napětí.

Obrázek 8 – Schéma výkonového zesilovače

V režimu D pracují zesilovače s pulzně šířková modulace (PWM)… Vstupní signál moduluje obdélníkové impulsyzměnou jejich trvání.V tomto případě je signál převeden na obdélníkové impulsy stejné amplitudy, jejichž trvání je úměrné hodnotě signálu v libovolném časovém okamžiku.

Sled pulsů je přiváděn do tranzistoru (tranzistorů) pro zesílení. Protože zesílený signál je pulzní, tranzistor pracuje v režimu klíče. Provoz v klíčovém režimu je spojen s minimálními ztrátami, protože tranzistor je buď uzavřený, nebo zcela otevřený (má minimální odpor).Po zesílení je ze signálu extrahována nízkofrekvenční složka (zesílený původní signál) pomocí dolnopropustného filtru ( LPF) a přiváděn do zátěže.

Obrázek 9 – Blokové schéma zesilovače třídy D

Zesilovače třídy D se používají v přenosných audio systémech, mobilních komunikacích, zařízeních pro ovládání motoru a dalších.

Moderní zesilovače se vyznačují širokým využitím integrovaných obvodů.