DC ojačevalniki - namen, vrste, vezja in princip delovanja

DC ojačevalniki, kot že ime pove, sami po sebi ne ojačajo toka, kar pomeni, da ne ustvarjajo dodatne moči. Te elektronske naprave se uporabljajo za krmiljenje električnih vibracij v določenem frekvenčnem območju od 0 Hz. Toda če pogledamo obliko signalov na vhodu in izhodu DC ojačevalnika, lahko nedvoumno rečemo, da je na izhodu ojačen vhodni signal, vendar so viri napajanja za vhodne in izhodne signale individualni.

Po principu delovanja delimo enosmerne ojačevalnike na neposredne ojačevalnike in konverterske ojačevalnike.

Ojačevalniki za pretvorbo enosmernega toka pretvorijo enosmerni tok v izmenični, nato ojačajo in popravijo. To se imenuje ojačanje z modulacijo in demodulacijo – MDM.

Neposredna ojačevalna vezja ne vsebujejo reaktivnih elementov, kot so induktorji in kondenzatorji, katerih impedanca je odvisna od frekvence. Namesto tega obstaja neposredna galvanska povezava izhoda (kolektorja ali anode) ojačevalnega elementa ene stopnje z vhodom (osnovo ali mrežo) naslednje stopnje.Iz tega razloga lahko ojačevalnik z neposrednim ojačenjem prehaja (ojačuje) celo D.C.… Takšne sheme so priljubljene tudi v akustiki.

Čeprav se direktna galvanska povezava zelo natančno prenaša med padci napetosti stopenj in počasnimi spremembami toka, je taka rešitev povezana z nestabilnim delovanjem ojačevalnika, s težavami pri vzpostavitvi načina delovanja ojačevalnega elementa.

Ko se napetost napajalnikov nekoliko spremeni ali se spremeni način delovanja ojačevalnih elementov ali njihovi parametri nekoliko plavajo, se takoj opazijo počasne spremembe tokov v tokokrogu, ki skozi galvansko povezana vezja vstopajo v vhodni signal in s tem popačijo obliko signala na izhodu. Pogosto so te lažne izhodne spremembe podobne velikosti spremembam zmogljivosti, ki jih povzroči običajni vhodni signal.

Popačenje izhodne napetosti lahko povzročijo številni dejavniki. Najprej skozi notranje procese v elementih verige. Nestabilna napetost napajalnikov, nestabilni parametri pasivnih in aktivnih elementov vezja, zlasti pod vplivom temperaturnih padcev itd. Morda sploh niso povezani z vhodno napetostjo.

Spremembe izhodne napetosti, ki jih povzročijo ti dejavniki, se imenujejo ničelni odmik ojačevalnika. Največja sprememba izhodne napetosti v odsotnosti vhodnega signala v ojačevalnik (ko je vhod zaprt) v določenem časovnem obdobju se imenuje absolutni odmik.

Napetost odmika, ki se nanaša na vhod, je enaka razmerju med absolutnim odmikom in ojačanjem danega ojačevalnika.Ta napetost določa občutljivost ojačevalnika, saj omejuje najmanjši zaznavni vhodni signal.

Za pravilno delovanje ojačevalnika napetost drifta ne sme preseči vnaprej določene minimalne napetosti signala, ki ga je treba ojačati in ki se uporablja na njegovem vhodu. Če je izhodni drift istega reda kot vhodni signal ali ga presega, bo popačenje preseglo dovoljeno mejo za ojačevalnik, njegova delovna točka pa bo premaknjena iz ustreznega delovnega območja značilnosti ojačevalnika (»zero drift«) .

Za zmanjšanje ničelnega odstopanja se uporabljajo naslednje metode. Najprej se stabilizirajo vsi viri napetosti in toka, ki napajajo stopnje ojačevalnika. Drugič, uporabljajo globoko negativno povratno zvezo.Tretjič, sheme kompenzacije temperaturnega premika se uporabljajo z dodajanjem nelinearnih elementov, katerih parametri so odvisni od temperature. Četrtič, uporabljajo se izravnalna mostna vezja. Končno se enosmerni tok pretvori v izmenični, nato pa se izmenični tok ojača in popravi.

Pri izdelavi vezja ojačevalnika enosmernega toka je zelo pomembno uskladiti potenciale na vhodu ojačevalnika, na priključnih točkah njegovih stopenj, pa tudi na izhodu bremena. Prav tako je treba zagotoviti stabilnost stopenj v različnih načinih in celo v pogojih plavajočih parametrov vezja.

DC ojačevalniki so enosmerni in potisni. Enkratna vezja z neposrednim ojačanjem sprejemajo neposredno dovajanje izhodnega signala iz enega elementa na vhod naslednjega.Kolektorska napetost prvega se napaja na vhod naslednjega tranzistorja skupaj z izhodnim signalom iz prvega elementa (tranzistorja).

Pri tem je treba ujemati potenciale kolektorja prvega in baze drugega tranzistorja, za kar je kolektorska napetost prvega tranzistorja kompenzirana z uporom. Oddajnemu vezju drugega tranzistorja je dodan tudi upor, da izravna napetost osnovnega oddajnika. Visoki morajo biti tudi potenciali na kolektorjih tranzistorjev naslednjih stopenj, kar dosežemo tudi z uporabo ujemajočih se uporov.

V vzporedni uravnoteženi potisni stopnji tvorijo upori kolektorskih vezij in notranji upori tranzistorjev štirikraki most, katerega ena od diagonal (med vezji kolektor-emiter) se napaja z napajalno napetostjo, drugi (med kolektorji) je povezan z obremenitvijo. Signal, ki ga je treba ojačati, se nanese na baze obeh tranzistorjev.

Pri enakih kolektorskih uporih in popolnoma identičnih tranzistorjih je potencialna razlika med kolektorji, če ni vhodnega signala, enaka nič. Če je vhodni signal različen od nič, bodo kolektorji imeli potencialne korake enake velikosti, vendar nasprotnega predznaka. Obremenitev med kolektorji se bo pojavila izmenični tok v obliki ponavljajočega se vhodnega signala, vendar z večjo amplitudo.

Takšne stopnje se pogosto uporabljajo kot primarne stopnje večstopenjskih ojačevalnikov ali kot izhodne stopnje za doseganje uravnotežene napetosti in toka. Prednost teh rešitev je, da vpliv temperature na obe roki enako spremeni njune karakteristike in izhodna napetost ne lebdi.