Електронска појачала у индустријској електроници

То су уређаји дизајнирани да појачају напон, струју и снагу електричног сигнала.

Најједноставнији појачавач је транзисторско коло. Употреба појачавача је због чињенице да су обично електрични сигнали (напони и струје) који улазе у електронске уређаје мале амплитуде и потребно их је повећати на потребну вредност довољну за даљу употребу (конверзија, пренос, напајање оптерећењем). ).

На слици 1 приказани су уређаји потребни за рад појачала.

Слика 1 — Окружење појачала

Снага која се ослобађа када је појачало напуњено је конвертована снага његовог извора напајања и улазни сигнал га само покреће. Појачала се напајају из извора једносмерне струје.

Обично се појачавач састоји од неколико степена појачања (слика 2). Прве фазе појачања, дизајниране углавном за појачавање напона сигнала, називају се претпојачала. Њихова кола су одређена типом извора улазног сигнала.

Степен који служи за појачавање снаге сигнала назива се терминал или излаз.Њихова шема је одређена врстом оптерећења. Такође, појачало може укључивати међустепене који су дизајнирани да добију неопходно појачање и (или) да формирају потребне карактеристике појачаног сигнала.

Слика 2 — Структура појачала

Класификација појачала:

1) у зависности од појачаног параметра, напона, струје, појачавача снаге

2) по природи појачаних сигнала:

• појачавачи хармонијских (континуираних) сигнала;

• појачивачи импулсног сигнала (дигитални појачивачи).

3) у опсегу појачаних фреквенција:

• ДЦ појачала;

• АЦ појачала

• ниске фреквенције, високе, ултра високе итд.

4) по природи фреквентног одзива:

• резонантне (појачавају сигнале у уском фреквентном опсегу);

• пропусни опсег (појачава одређени фреквентни опсег);

• широкопојасни (појачава цео опсег фреквенција).

5) по врсти арматурних елемената:

• електричних вакуумских лампи;

• на полупроводничким уређајима;

• на интегрисаним колима.

Када бирате појачало, изађите из параметара појачала:

• излазна снага мерена у ватима. Излазна снага варира у великој мери у зависности од намене појачала, на пример код појачивача звука — од миливата у слушалицама до десетина и стотина вати у аудио системима.

• Фреквенцијски опсег, мерено у херцима. На пример, исто аудио појачало обично треба да обезбеди појачање у фреквенцијском опсегу 20–20.000 Хз, а појачало телевизијског сигнала (слика + звук) — 20 Хз — 10 МХз и више.

• Нелинеарна дисторзија, мерена у процентима%. Карактерише изобличење облика појачаног сигнала. Генерално, што је нижи дати параметар, то боље.

• Ефикасност (однос ефикасности) се мери у процентима%.Показује колико се снаге из извора напајања користи за расипање енергије у оптерећење. Чињеница је да се део снаге извора губи, у већој мери су то топлотни губици — ток струје увек изазива загревање материјала. Овај параметар је посебно важан за уређаје са сопственим напајањем (од акумулатора и батерија).

Слика 3 приказује типично коло биполарног транзисторског претпојачала. Улазни сигнал долази од извора напона Уин.Блокирајући кондензатори Цп1 и Цп2 пролазе променљиву тј. појачаног сигнала и не пропуштају једносмерну струју, што омогућава стварање независних режима рада за једносмерну струју у серијски повезаним степеницама појачала.

Слика 3 — Шема степена појачала биполарног транзистора

Отпорници Рб1 и Рб2 су главни делилац који обезбеђује почетну струју до базе транзистора Иб0, отпорник Рк обезбеђује почетну струју колектору Ик0. Ове струје се називају ламинарне струје. У недостатку улазног сигнала, они су константни. На слици 4 приказани су временски дијаграми појачала. Временски графикон је промена параметра током времена.

Отпорник Ре обезбеђује негативну струјну повратну спрегу (НФ). Повратна информација (ОЦ) је пренос дела излазног сигнала на улазно коло појачала. Ако су улазни и повратни сигнал супротни у фази, каже се да је повратна спрега негативна. ООС смањује појачање, али у исто време смањује хармонијску дисторзију и повећава стабилност појачала. Користи се у скоро свим појачавачима.

Отпорник Рф и кондензатор Цф су филтерски елементи.Кондензатор Цф формира коло ниског отпора за променљиву компоненту струје коју троши појачавач из извора Уп. Елементи за филтрирање су неопходни ако се из извора напаја више извора појачала.

Када се примени улазни сигнал Уин, струја Иб ~ се појављује у улазном колу, а на излазу Ик ~. Пад напона створен струјом Ик ~ кроз оптерећење Рн биће појачани излазни сигнал.

Из привремених дијаграма напона и струја (сл. 3) види се да су променљиве компоненте напона на улазу Уб ~ и излазу Уц ~ = У излазу каскаде антифазне, тј. степен појачања ОЕ транзистора мења (инвертује) фазу улазног сигнала у супротном смеру.

Слика 4 — Временски дијаграми струја и напона у степену појачала биполарног транзистора

Операционо појачало (ОУ) је ДЦ/АЦ појачало са високим појачањем и дубоком негативном повратном спрегом.

Омогућава имплементацију великог броја електронских уређаја, али се традиционално назива појачало.

Можемо рећи да су оперативна појачала окосница све аналогне електронике. Широка употреба операционих појачала повезана је са њиховом флексибилношћу (способношћу да се на њиховој основи граде различити електронски уређаји, аналогни и импулсни), широким фреквентним опсегом (појачавање једносмерних и наизменичних сигнала), независношћу главних параметара од спољних дестабилизујућих фактори (промена температуре, напон напајања итд.). Углавном се користе интегрисана појачала (ИОУ).

Присуство речи „операционални“ у називу објашњава се могућношћу да ови појачавачи могу да обављају низ математичких операција – сабирање, одузимање, диференцијацију, интеграцију итд.

Слика 5 приказује УГО ИЕЕ.Појачало има два улаза — напред и назад и један излаз. Када се улазни сигнал примени на неинвертујући (директни) улаз, излазни сигнал има исти поларитет (фазу) — Слика 5, а.

Слика 5 — Уобичајене графичке ознаке операционих појачала

Када се користи инвертујући улаз, фаза излазног сигнала ће се померити за 180° у односу на фазу улазног сигнала (обрнути поларитет) — Слика 6, б. Обрнути улази и излази су заокружени.

Слика 6 — Временски дијаграми оп-амп: а) — неинвертујући, б) — инвертујући

Када се на позадину примени напон, излазни напон је пропорционалан разлици између улазних напона. Ове. инвертујући улазни сигнал се прихвата са знаком «-». Уоут = К (Унеинв — Уинв), где је К појачање.

Слика 7 — Амплитудна карактеристика оп-амп

Оп-појачало се напаја из биполарног извора, обично +15 В и -15 В. Униполарно напајање је такође дозвољено. Остали закључци ИОУ су назначени онако како се користе.

Рад оп-амп објашњен је амплитудном карактеристиком – Слика 8. На карактеристици се може разликовати линеарни пресек, у коме излазни напон расте пропорционално са повећањем улазног напона, а два одсека засићења У + сат и У- сат. При одређеној вредности улазног напона Уин.мак, појачавач прелази у режим засићења, у коме излазни напон поприма максималну вредност (на вредности Уп = 15 В, приближно Унс = 13 В) и остаје непромењен са даљим повећање улазног сигнала. Режим засићења се користи у импулсним уређајима заснованим на операционим појачавачима.

Појачала снаге се користе у завршним фазама појачања и дизајнирана су да створе потребну снагу у оптерећењу.

Њихова главна карактеристика је рад на високим нивоима улазног сигнала и великим излазним струјама, што захтева употребу моћних појачала.

Појачала могу да раде у А, АБ, Б, Ц и Д режимима.

У режиму А, излазна струја појачавачког уређаја (транзистора или електронске цеви) је отворена за цео период појачаног сигнала (тј. константно) и кроз њега тече излазна струја. Појачала снаге А класе уносе минимално изобличење у појачани сигнал, али имају веома ниску ефикасност.

У режиму Б, излазна струја је подељена на два дела, један појачавач појачава позитивни полуталас сигнала, други негативан. Као резултат, већа ефикасност него у режиму А, али и велика нелинеарна изобличења која се јављају у тренутку пребацивања транзистора.

АБ режим понавља режим Б, али у тренутку преласка са једног полуталаса на други, оба транзистора су отворена, што омогућава смањење изобличења уз одржавање високе ефикасности. АБ режим је најчешћи за аналогна појачала.

Мод Ц се користи у случајевима када нема изобличења таласног облика током појачања, јер излазна струја појачавача тече мање од пола периода, што, наравно, доводи до великих изобличења.

Д режим користи претварање улазних сигнала у импулсе, појачавање тих импулса, а затим њихово враћање назад.У овом случају излазни транзистори раде у кључном режиму (транзистор је потпуно затворен или потпуно отворен), чиме се ефикасност појачавача приближава 100% (у АВ режиму ефикасност не прелази 50%). Појачала која раде у Д режиму називају се дигитална појачала.

У пусх-пулл колу, појачање (модови Б и АБ) се дешава у два циклуса такта. Током првог полупериода, улазни сигнал се појачава једним транзистором, а други се затвара током овог полупериода или његовог дела. У другом полупериоду, сигнал се појачава другим транзистором док је први искључен.

Клизно коло транзисторског појачавача је приказано на слици 8. Транзисторски степен ВТ3 обезбеђује потискивање излазних транзистора ВТ1 и ВТ2. Отпорници Р1 и Р2 постављају константан начин рада транзистора.

Са доласком негативног полуталаса Уин, струја колектора ВТ3 се повећава, што доводи до повећања напона на базама транзистора ВТ1 и ВТ2. У овом случају, ВТ2 се затвара и кроз ВТ1 струја колектора пролази кроз коло: + Уп, прелаз К-Е ВТ1, Ц2 (током пуњења), Рн, случај.

Када дође позитиван полуталас, Уин ВТ3 се затвара, што доводи до смањења напона на базама транзистора ВТ1 и ВТ2 — ВТ1 се затвара, а кроз ВТ2 струја колектора тече кроз коло: + Ц2, прелаз ЕК ВТ2 , случај, Рн, -Ц2 . Т

Тиме се обезбеђује да струја оба полуталаса улазног напона тече кроз оптерећење.

Слика 8 — Шема појачавача снаге

У режиму Д, појачала раде са модулација ширине импулса (ПВМ)… Улазни сигнал се модулира правоугаони импулсипроменом њиховог трајања.У овом случају, сигнал се претвара у правоугаоне импулсе исте амплитуде, чије је трајање пропорционално вредности сигнала у било ком тренутку.

Низ импулса се доводи до транзистора за појачање. Пошто је појачани сигнал пулсиран, транзистор ради у кључном режиму. Рад у кључном режиму је повезан са минималним губицима, пошто је транзистор или затворен или потпуно отворен (има минималан отпор).Након појачања, нискофреквентна компонента (појачани оригинални сигнал) се издваја из сигнала помоћу нископропусног филтера ( ЛПФ) и доводе до оптерећења.

Слика 9 — Блок шема појачавача класе Д

Појачала класе Д се користе у аудио системима лаптопова, мобилним комуникацијама, уређајима за контролу мотора и још много тога.

Модерна појачала карактерише широка употреба интегрисаних кола.