Elektroniska förstärkare inom industriell elektronik

Dessa är enheter utformade för att förstärka spänningen, strömmen och effekten hos en elektrisk signal.

Den enklaste förstärkaren är en transistorkrets. Användningen av förstärkare beror på det faktum att elektriska signaler (spänningar och strömmar) som kommer in i elektroniska enheter vanligtvis har liten amplitud och det är nödvändigt att öka dem till det nödvändiga värdet som är tillräckligt för vidare användning (omvandling, överföring, strömförsörjning till lasten ).

Figur 1 visar de enheter som krävs för att driva förstärkaren.

Figur 1 — Förstärkarmiljö

Effekten som frigörs när förstärkaren är laddad är den omvandlade effekten från dess strömförsörjning och insignalen driver bara den. Förstärkarna drivs av likströmskällor.

Vanligtvis består förstärkaren av flera förstärkningssteg (Fig. 2). De första stegen av förstärkning, som huvudsakligen är utformade för att förstärka signalspänningen, kallas förförstärkare. Deras kretsar bestäms av typen av ingångssignalkälla.

Steget som tjänar till att förstärka signalens effekt kallas terminalen eller utgången.Deras schema bestäms av typen av belastning. Dessutom kan förstärkaren inkludera mellansteg utformade för att erhålla den nödvändiga förstärkningen och (eller) för att bilda de nödvändiga egenskaperna hos den förstärkta signalen.

Figur 2 — Förstärkarens struktur

Förstärkarklassificering:

1) beroende på den förstärkta parametern, spänning, ström, effektförstärkare

2) av de förstärkta signalernas natur:

• förstärkare av harmoniska (kontinuerliga) signaler;

• pulssignalförstärkare (digitala förstärkare).

3) i intervallet för förstärkta frekvenser:

• DC-förstärkare;

• AC förstärkare

• låg frekvens, hög, ultra hög etc.

4) beroende på frekvenssvarets natur:

• resonant (förstärka signaler i ett smalt frekvensband);

• bandpass (förstärker ett visst frekvensband);

• bredband (förstärker hela frekvensområdet).

5) efter typ av förstärkningselement:

• av elektriska vakuumlampor;

• på halvledarenheter;

• på integrerade kretsar.

När du väljer en förstärkare, avsluta förstärkarparametrarna:

• uteffekt mätt i watt. Uteffekten varierar mycket beroende på syftet med förstärkaren, till exempel i ljudförstärkare — från milliwatt i hörlurar till tiotals och hundratals watt i ljudsystem.

• Frekvensområde, mätt i hertz. Till exempel bör samma ljudförstärkare vanligtvis ge förstärkning i frekvensområdet 20–20 000 Hz, och en TV-signalförstärkare (bild + ljud) — 20 Hz — 10 MHz och högre.

• Icke-linjär distorsion, mätt i procent%. Det kännetecknar formförvrängningen hos den förstärkta signalen. Generellt gäller att ju lägre en given parameter är, desto bättre.

• Verkningsgrad (effektivitetskvot) mäts i procent.Visar hur mycket ström från nätaggregatet som används för att avleda ström till lasten. Faktum är att en del av källans kraft går till spillo, i större utsträckning är dessa värmeförluster - strömflödet orsakar alltid uppvärmning av materialet. Denna parameter är särskilt viktig för självförsörjande enheter (från ackumulatorer och batterier).

Figur 3 visar en typisk bipolär transistorförförstärkarkrets. Insignalen kommer från en spänningskälla Uin Blockeringskondensatorerna Cp1 och Cp2 passerar variabeln dvs. förstärkt signal och inte passerar likström, vilket gör det möjligt att skapa oberoende driftlägen för likström i seriekopplade förstärkarsteg.

Figur 3 — Diagram över förstärkarsteget för en bipolär transistor

Motstånd Rb1 och Rb2 är huvuddelaren som tillhandahåller startströmmen till basen av transistorn Ib0, motståndet Rk tillhandahåller startströmmen till kollektorn Ik0. Dessa strömmar kallas laminära strömmar. I frånvaro av en insignal är de konstanta. Figur 4 visar tidsdiagrammen för förstärkaren. En tidsplot är en förändring av en parameter över tiden.

Resistor Re ger negativ strömåterkoppling (NF). Återkoppling (OC) är överföringen av en del av utsignalen till förstärkarens ingångskrets. Om insignalen och återkopplingssignalen är motsatta i fas, sägs återkopplingen vara negativ. OOS minskar förstärkningen, men minskar samtidigt harmonisk distorsion och ökar förstärkarens stabilitet. Den används i nästan alla förstärkare.

Motstånd Rf och kondensator Cf är filterelement.Kondensatorn Cf bildar en lågresistanskrets för den variabla komponenten av strömmen som förbrukas av förstärkaren från källan Upp. Filtreringselement är nödvändiga om flera förstärkarkällor matas från källan.

När en insignal Uin appliceras, visas strömmen Ib ~ i ingångskretsen och i utgången Ik ~. Spänningsfallet som skapas av strömmen Ik ~ genom lasten Rn kommer att vara den förstärkta utsignalen.

Av de temporära diagrammen över spänningar och strömmar (fig. 3) kan man se att de variabla komponenterna av spänningarna vid ingången Ub ~ och utgången Uc ~ = Uut från kaskaden är motfas, d.v.s. förstärkningssteget för OE-transistorn ändrar (inverterar) fasen för insignalen i motsatt riktning.

Figur 4 — Tidsdiagram över strömmar och spänningar i förstärkarsteget i en bipolär transistor

En operationsförstärkare (OU) är en DC/AC-förstärkare med hög förstärkning och djup negativ återkoppling.

Den tillåter implementering av ett stort antal elektroniska enheter, men kallas traditionellt för en förstärkare.

Vi kan säga att operationsförstärkare är ryggraden i all analog elektronik. Den breda användningen av operationsförstärkare är förknippad med deras flexibilitet (förmågan att bygga olika elektroniska enheter på deras bas, både analoga och pulsade), ett brett frekvensområde (förstärkning av DC- och AC-signaler), oberoende av huvudparametrarna från extern destabilisering faktorer (temperaturförändring, matningsspänning etc.). Integrerade förstärkare (IOUs) används främst.

Närvaron av ordet "operativ" i namnet förklaras av möjligheten att dessa förstärkare kan utföra ett antal matematiska operationer - addition, subtraktion, differentiering, integration, etc.

Figur 5 visar UGO IEE.Förstärkaren har två ingångar - framåt och bakåt och en utgång. När insignalen tillförs en icke-inverterande (direkt) ingång, har utsignalen samma polaritet (fas) — Figur 5, a.

Figur 5 — Konventionella grafiska beteckningar för operationsförstärkare

När du använder den inverterande ingången kommer utsignalens fas att förskjutas med 180 ° i förhållande till fasen för insignalen (omvänd polaritet) — Figur 6, b. Omvända ingångar och utgångar är inringade.

Figur 6 — Tidsdiagram för op-förstärkaren: a) — icke-inverterande, b) — inverterande

När en spänning appliceras på tapeten är utspänningen proportionell mot skillnaden mellan inspänningarna. Dessa. den inverterande insignalen accepteras med ett «-«-tecken. Uout = K (Uneinv — Uinv), där K är förstärkningen.

Figur 7 — Amplitudkarakteristik för op-förstärkaren

Op-amp drivs av en bipolär källa, vanligtvis +15 V och -15 V. En unipolär strömförsörjning är också tillåten. Resten av IOU-slutsatserna anges när de används.

Operationen av op-amp förklaras av amplitudkarakteristiken - Figur 8. På karakteristiken kan en linjär sektion urskiljas, i vilken utspänningen ökar proportionellt med en ökning av inspänningen, och två sektioner av mättnad U + satt och U- satt. Vid ett visst värde på inspänningen Uin.max går förstärkaren in i mättnadsläge, där utspänningen antar ett maxvärde (vid ett värde på Up = 15 V, ungefär Uns = 13 V) och förblir oförändrad med ytterligare en ökning av insignalen. Mättnadsläget används i pulsenheter baserade på operationsförstärkare.

Effektförstärkare används i slutskedet av förstärkningen och är designade för att skapa den erforderliga effekten i belastningen.

Deras huvudsakliga funktion är drift vid höga insignalnivåer och höga utströmmar, vilket kräver användning av kraftfulla förstärkare.

Förstärkare kan fungera i lägena A, AB, B, C och D.

I läge A är utströmmen från förstärkaranordningen (transistor eller elektroniskt rör) öppen under hela perioden för den förstärkta signalen (dvs konstant) och utströmmen flyter genom den. Klass A effektförstärkare introducerar minimal distorsion i den förstärkta signalen, men har mycket låg effektivitet.

I läge B är utströmmen uppdelad i två delar, en förstärkare förstärker signalens positiva halvvåg, den andra negativ. Som ett resultat, högre effektivitet än i mod A, men också stora icke-linjära distorsioner som uppstår i ögonblicket för omkopplingstransistorer.

AB-läget upprepar B-läget, men vid övergångsögonblicket från den ena halvvågen till den andra är båda transistorerna öppna, vilket gör det möjligt att minska distorsionerna med bibehållen hög effektivitet. AB-läget är det vanligaste för analoga förstärkare.

Mode C används i fall där det inte finns någon förvrängning av vågformen under förstärkning, eftersom förstärkarens utström flyter under mindre än en halv period, vilket naturligtvis leder till stora förvrängningar.

D-läge använder omvandling av insignaler till pulser, förstärkning av dessa pulser och sedan omvandling av dem tillbaka.I det här fallet arbetar utgångstransistorerna i nyckelläge (transistorn är helt stängd eller helt öppen), vilket för förstärkarens effektivitet närmare 100 % (i AV-läge överstiger effektiviteten inte 50 %). Förstärkare som arbetar i D-läge kallas digitala förstärkare.

I en push-pull-krets sker förstärkning (mod B och AB) i två klockcykler. Under den första halvcykeln förstärks insignalen av en transistor och den andra stängs under denna halvcykel eller en del av den. I den andra halvcykeln förstärks signalen av den andra transistorn medan den första är avstängd.

Transistorförstärkarens glidkrets visas i figur 8. Transistorsteget VT3 ger en push till utgångstransistorerna VT1 och VT2. Motstånd R1 och R2 ställer in det konstanta driftsättet för transistorerna.

Med ankomsten av en negativ halvvåg Uin ökar kollektorströmmen VT3, vilket leder till en ökning av spänningen vid baserna av transistorerna VT1 och VT2. I detta fall stänger VT2 och genom VT1 passerar kollektorströmmen genom kretsen: + Upp, övergång K-E VT1, C2 (under laddning), Rn, hölje.

När en positiv halvvåg anländer stänger Uin VT3, vilket leder till en minskning av spänningen vid basen av transistorerna VT1 och VT2 — VT1 stänger, och genom VT2 flyter kollektorströmmen genom kretsen: + C2, övergång EK VT2 , fall, Rn, -C2. T

Detta säkerställer att strömmen för båda halvvågorna av inspänningen flyter genom lasten.

Figur 8 — Schematisk beskrivning av en effektförstärkare

I läge D arbetar förstärkarna med pulsbreddsmodulering (PWM)… Ingångssignalen moduleras rektangulära pulsergenom att ändra deras varaktighet.I detta fall omvandlas signalen till rektangulära pulser med samma amplitud, vars varaktighet är proportionell mot värdet på signalen vid varje tidpunkt.

Pulståget matas till transistorn/transistorerna för förstärkning. Eftersom den förstärkta signalen är pulsad, arbetar transistorn i nyckelläge. Drift i nyckelläge är förknippad med minimala förluster, eftersom transistorn antingen är stängd eller helt öppen (har minimal resistans). Efter förstärkning extraheras lågfrekvenskomponenten (förstärkt originalsignal) från signalen med hjälp av ett lågpassfilter ( LPF) och matas till lasten.

Figur 9 — Blockschema över en klass D-förstärkare

Klass D-förstärkare används i bärbara ljudsystem, mobilkommunikation, motorstyrningsenheter och mer.

Moderna förstärkare kännetecknas av den utbredda användningen av integrerade kretsar.