Elektronski ojačevalniki v industrijski elektroniki

To so naprave, namenjene ojačanju napetosti, toka in moči električnega signala.

Najenostavnejši ojačevalnik je tranzistorsko vezje. Uporaba ojačevalnikov je posledica dejstva, da so električni signali (napetosti in tokovi), ki vstopajo v elektronske naprave, običajno majhne amplitude in jih je treba povečati na potrebno vrednost, ki zadostuje za nadaljnjo uporabo (pretvorba, prenos, napajanje bremena). ).

Slika 1 prikazuje naprave, potrebne za delovanje ojačevalnika.

Slika 1 — Okolje ojačevalnika

Moč, ki se sprosti, ko je ojačevalnik obremenjen, je pretvorjena moč njegovega napajanja in vhodni signal ga samo poganja. Ojačevalniki se napajajo z viri enosmernega toka.

Običajno je ojačevalnik sestavljen iz več ojačevalnih stopenj (slika 2). Prve stopnje ojačanja, namenjene predvsem ojačanju signalne napetosti, se imenujejo predojačevalniki. Njihova vezja so določena z vrsto vira vhodnega signala.

Stopnja, ki služi za ojačanje moči signala, se imenuje terminal ali izhod.Njihova shema je določena z vrsto obremenitve. Tudi ojačevalnik lahko vključuje vmesne stopnje, ki so zasnovane za pridobitev potrebnega ojačanja in (ali) za oblikovanje potrebnih značilnosti ojačenega signala.

Slika 2 — Struktura ojačevalnika

Razvrstitev ojačevalnika:

1) odvisno od ojačenega parametra, napetosti, toka, ojačevalnikov moči

2) glede na naravo ojačanih signalov:

• ojačevalniki harmoničnih (zveznih) signalov;

• ojačevalniki pulznega signala (digitalni ojačevalniki).

3) v območju ojačenih frekvenc:

• DC ojačevalniki;

• AC ojačevalniki

• nizka frekvenca, visoka, ultra visoka itd.

4) po naravi frekvenčnega odziva:

• resonančni (ojačujejo signale v ozkem frekvenčnem pasu);

• bandpass (ojači določen frekvenčni pas);

• širokopasovni (ojači celotno frekvenčno območje).

5) glede na vrsto ojačitvenih elementov:

• električnih vakuumskih svetilk;

• na polprevodniških napravah;

• na integriranih vezjih.

Pri izbiri ojačevalnika zapustite parametre ojačevalnika:

• izhodna moč, merjena v vatih. Izhodna moč se zelo razlikuje glede na namen ojačevalnika, na primer pri ojačevalnikih zvoka — od milivatov v slušalkah do deset in sto vatov v avdio sistemih.

• Frekvenčno območje, merjeno v hercih. Na primer, isti zvočni ojačevalnik mora običajno zagotavljati ojačanje v frekvenčnem območju 20–20.000 Hz, ojačevalnik televizijskega signala (slika + zvok) pa 20 Hz — 10 MHz in več.

• Nelinearno popačenje, merjeno v odstotkih. Označuje popačenje oblike ojačenega signala. Na splošno velja, da nižji kot je določen parameter, tem bolje.

• Učinkovitost (razmerje učinkovitosti) se meri v odstotkih%.Prikazuje, koliko moči iz napajalnika se porabi za disipacijo moči v obremenitvi. Dejstvo je, da se del moči vira izgubi, v večji meri so to toplotne izgube - pretok toka vedno povzroči segrevanje materiala. Ta parameter je še posebej pomemben za naprave z lastnim napajanjem (iz akumulatorjev in baterij).

Slika 3 prikazuje tipično vezje predojačevalca bipolarnega tranzistorja. Vhodni signal prihaja iz napetostnega vira Uin Blokirna kondenzatorja Cp1 in Cp2 prepuščata spremenljivko, tj. ojačen signal in ne prepuščajo enosmernega toka, kar omogoča ustvarjanje neodvisnih načinov delovanja za enosmerni tok v zaporedno povezanih ojačevalnih stopnjah.

Slika 3 — Diagram ojačevalne stopnje bipolarnega tranzistorja

Upori Rb1 in Rb2 so glavni delilnik, ki zagotavlja začetni tok v bazo tranzistorja Ib0, upor Rk zagotavlja začetni tok v kolektor Ik0. Te tokove imenujemo laminarni tokovi. V odsotnosti vhodnega signala so konstantni. Slika 4 prikazuje časovne diagrame ojačevalnika. Časovni prikaz je sprememba parametra skozi čas.

Resistor Re zagotavlja negativno tokovno povratno zvezo (NF). Povratna zveza (OC) je prenos dela izhodnega signala na vhodno vezje ojačevalnika. Če sta vhodni signal in povratni signal v nasprotni fazi, pravimo, da je povratna zveza negativna. OOS zmanjša ojačanje, a hkrati zmanjša harmonično popačenje in poveča stabilnost ojačevalnika. Uporablja se v skoraj vseh ojačevalnikih.

Upor Rf in kondenzator Cf sta filtrska elementa.Kondenzator Cf tvori nizkouporno vezje za spremenljivo komponento toka, ki ga porabi ojačevalnik iz vira Up. Filtrirni elementi so potrebni, če se iz vira napaja več virov ojačevalnika.

Ko se uporabi vhodni signal Uin, se v vhodnem vezju pojavi tok Ib ~, v izhodu pa Ik ~. Padec napetosti, ki ga povzroči tok Ik ~ skozi obremenitev Rn, bo ojačan izhodni signal.

Iz začasnih diagramov napetosti in tokov (slika 3) je razvidno, da so spremenljive komponente napetosti na vhodu Ub ~ in izhodu Uc ~ = U iz kaskade protifazne, tj. ojačevalna stopnja tranzistorja OE spremeni (obrne) fazo vhodnega signala v nasprotno smer.

Slika 4 - Časovni diagrami tokov in napetosti v ojačevalni stopnji bipolarnega tranzistorja

Operacijski ojačevalnik (OU) je ojačevalnik DC/AC z visokim ojačenjem in globoko negativno povratno informacijo.

Omogoča implementacijo velikega števila elektronskih naprav, vendar se tradicionalno imenuje ojačevalnik.

Lahko rečemo, da so operacijski ojačevalniki hrbtenica vse analogne elektronike. Široka uporaba operacijskih ojačevalnikov je povezana z njihovo prilagodljivostjo (zmožnost izdelave različnih elektronskih naprav na njihovi osnovi, tako analognih kot impulznih), širokim frekvenčnim razponom (ojačitev signalov DC in AC), neodvisnostjo glavnih parametrov od zunanjih destabilizirajočih dejavnikov. dejavniki (sprememba temperature, napajalna napetost itd.). Uporabljajo se predvsem integrirani ojačevalniki (IOU).

Prisotnost besede "operativni" v imenu je razložena z možnostjo, da lahko ti ojačevalniki izvajajo številne matematične operacije - seštevanje, odštevanje, diferenciacijo, integracijo itd.

Slika 5 prikazuje UGO IEE.Ojačevalnik ima dva vhoda — naprej in nazaj ter en izhod. Ko se vhodni signal nanaša na neinvertirani (neposredni) vhod, ima izhodni signal enako polarnost (fazo) - slika 5, a.

Slika 5 — Običajne grafične oznake operacijskih ojačevalnikov

Pri uporabi invertirajočega vhoda se faza izhodnega signala premakne za 180 ° glede na fazo vhodnega signala (obrnjena polarnost) — slika 6, b. Reverzni vhodi in izhodi so obkroženi.

Slika 6 - Časovni diagrami operacijskega ojačevalnika: a) - neinvertiranje, b) - invertiranje

Ko je na ozadje priključena napetost, je izhodna napetost sorazmerna razliki med vhodnimi napetostmi. te. invertni vhodni signal je sprejet z znakom «-». Uout = K (Uneinv — Uinv), kjer je K dobiček.

Slika 7 — Amplitudna karakteristika operacijskega ojačevalnika

Operacijski ojačevalnik napaja bipolarni vir, običajno +15 V in -15 V. Dovoljeno je tudi unipolarno napajanje. Preostali sklepi IOU so navedeni tako, kot so uporabljeni.

Delovanje op-amp je razloženo z amplitudno karakteristiko - slika 8. Na karakteristiki je mogoče razlikovati linearni odsek, v katerem se izhodna napetost sorazmerno povečuje s povečanjem vhodne napetosti, in dva odseka nasičenosti U + sedel in U- sedel. Pri določeni vrednosti vhodne napetosti Uin.max preide ojačevalnik v način nasičenja, v katerem izhodna napetost prevzame največjo vrednost (pri vrednosti Up = 15 V, približno Uns = 13 V) in ostane nespremenjena z nadaljnjim povečanje vhodnega signala. Način nasičenosti se uporablja v impulznih napravah, ki temeljijo na operacijskih ojačevalnikih.

Ojačevalniki moči se uporabljajo v končnih fazah ojačanja in so zasnovani tako, da ustvarijo zahtevano moč v bremenu.

Njihova glavna značilnost je delovanje pri visokih nivojih vhodnega signala in visokih izhodnih tokovih, kar zahteva uporabo močnejših ojačevalnikov.

Ojačevalniki lahko delujejo v načinih A, AB, B, C in D.

V načinu A je izhodni tok ojačevalne naprave (tranzistor ali elektronska cev) ves čas trajanja ojačenega signala (tj. konstantno) odprt in skozenj teče izhodni tok. Močnostni ojačevalniki razreda A vnašajo minimalno popačenje v ojačani signal, vendar imajo zelo nizko učinkovitost.

V načinu B je izhodni tok razdeljen na dva dela, en ojačevalnik ojača pozitivni polval signala, drugi negativen. Posledično večji izkoristek kot v načinu A, a tudi velika nelinearna popačenja, ki nastanejo v trenutku preklopa tranzistorjev.

Način AB ponavlja način B, vendar sta v trenutku prehoda iz enega polvala v drugega oba tranzistorja odprta, kar omogoča zmanjšanje popačenj ob ohranjanju visoke učinkovitosti. Način AB je najpogostejši za analogne ojačevalnike.

Način C se uporablja v primerih, ko med ojačanjem ni popačenja valovne oblike, ker izhodni tok ojačevalnika teče manj kot polovično periodo, kar seveda vodi do velikih popačenj.

Način D uporablja pretvorbo vhodnih signalov v impulze, ojačanje teh impulzov in njihovo nato pretvorbo nazaj.V tem primeru izhodni tranzistorji delujejo v ključnem načinu (tranzistor je popolnoma zaprt ali popolnoma odprt), kar približa učinkovitost ojačevalnika 100% (v načinu AV učinkovitost ne presega 50%). Ojačevalniki, ki delujejo v načinu D, se imenujejo digitalni ojačevalniki.

V potisno-vlečnem vezju se ojačitev (načina B in AB) pojavi v dveh taktih. V prvem polciklu je vhodni signal ojačan z enim tranzistorjem, drugi pa je med tem polciklom ali njegovim delom zaprt. V drugem polciklu se signal ojača z drugim tranzistorjem, medtem ko je prvi izklopljen.

Drsno vezje tranzistorskega ojačevalnika je prikazano na sliki 8. Stopnja tranzistorja VT3 zagotavlja potiskanje izhodnih tranzistorjev VT1 in VT2. Upori R1 in R2 nastavijo stalni način delovanja tranzistorjev.

S prihodom negativnega polvala Uin se kolektorski tok VT3 poveča, kar vodi do povečanja napetosti na bazah tranzistorjev VT1 in VT2. V tem primeru se VT2 zapre in skozi VT1 kolektorski tok prehaja skozi vezje: + Up, prehod K-E VT1, C2 (med polnjenjem), Rn, ohišje.

Ko pride pozitiven polval, se Uin VT3 zapre, kar vodi do zmanjšanja napetosti na bazah tranzistorjev VT1 in VT2 - VT1 se zapre, skozi VT2 pa kolektorski tok teče skozi vezje: + C2, prehod EK VT2 , primeru, Rn, -C2. T

To zagotavlja, da skozi breme teče tok obeh polvalov vhodne napetosti.

Slika 8 — Shema močnostnega ojačevalnika

V načinu D delujejo ojačevalniki z modulacija širine impulza (PWM)… Vhodni signal se modulira pravokotne impulzes spreminjanjem njihovega trajanja.V tem primeru se signal pretvori v pravokotne impulze enake amplitude, katerih trajanje je sorazmerno z vrednostjo signala v katerem koli trenutku.

Vlak impulzov se napaja na tranzistor(je) za ojačanje. Ker je ojačani signal impulzen, tranzistor deluje v ključnem načinu. Delovanje v ključnem načinu je povezano z minimalnimi izgubami, saj je tranzistor zaprt ali popolnoma odprt (ima minimalen upor).Po ojačitvi se nizkofrekvenčna komponenta (ojačani izvirni signal) izloči iz signala z uporabo nizkopasovnega filtra ( LPF) in doveden v breme.

Slika 9 — Blok diagram ojačevalnika razreda D

Ojačevalniki razreda D se uporabljajo v avdio sistemih prenosnih računalnikov, mobilnih komunikacijah, napravah za krmiljenje motorjev itd.

Za sodobne ojačevalnike je značilna široka uporaba integriranih vezij.