Ηλεκτρονικοί ενισχυτές στα βιομηχανικά ηλεκτρονικά

Πρόκειται για συσκευές σχεδιασμένες να ενισχύουν την τάση, το ρεύμα και την ισχύ ενός ηλεκτρικού σήματος.

Ο απλούστερος ενισχυτής είναι ένα κύκλωμα τρανζίστορ. Η χρήση ενισχυτών οφείλεται στο γεγονός ότι συνήθως τα ηλεκτρικά σήματα (τάσεις και ρεύματα) που εισέρχονται σε ηλεκτρονικές συσκευές είναι μικρού πλάτους και είναι απαραίτητο να αυξηθούν στην απαραίτητη τιμή επαρκή για περαιτέρω χρήση (μετατροπή, μετάδοση, παροχή ρεύματος στο φορτίο ).

Το σχήμα 1 δείχνει τις συσκευές που απαιτούνται για τη λειτουργία του ενισχυτή.

Εικόνα 1 — Περιβάλλον ενισχυτή

Η ισχύς που απελευθερώνεται κατά τη φόρτωση του ενισχυτή είναι η μετατρεπόμενη ισχύς του τροφοδοτικού του και το σήμα εισόδου τον οδηγεί μόνο. Οι ενισχυτές τροφοδοτούνται από πηγές συνεχούς ρεύματος.

Συνήθως, ο ενισχυτής αποτελείται από πολλά στάδια ενίσχυσης (Εικ. 2). Τα πρώτα στάδια ενίσχυσης, σχεδιασμένα κυρίως για την ενίσχυση της τάσης του σήματος, ονομάζονται προενισχυτές. Τα κυκλώματά τους καθορίζονται από τον τύπο της πηγής σήματος εισόδου.

Το στάδιο που χρησιμεύει για την ενίσχυση της ισχύος του σήματος ονομάζεται τερματικό ή έξοδος.Το σχήμα τους καθορίζεται από τον τύπο του φορτίου. Επίσης, ο ενισχυτής μπορεί να περιλαμβάνει ενδιάμεσα στάδια που έχουν σχεδιαστεί για να επιτυγχάνεται η απαραίτητη ενίσχυση και (ή) να σχηματίζονται τα απαραίτητα χαρακτηριστικά του ενισχυμένου σήματος.

Σχήμα 2 — Δομή ενισχυτή

Ταξινόμηση ενισχυτή:

1) ανάλογα με την ενισχυμένη παράμετρο, τάση, ρεύμα, ενισχυτές ισχύος

2) από τη φύση των ενισχυμένων σημάτων:

• ενισχυτές αρμονικών (συνεχών) σημάτων.

• ενισχυτές παλμικού σήματος (ψηφιακοί ενισχυτές).

3) στο εύρος των ενισχυμένων συχνοτήτων:

• Ενισχυτές DC;

• Ενισχυτές AC

• χαμηλή συχνότητα, υψηλή, εξαιρετικά υψηλή κ.λπ.

4) από τη φύση της απόκρισης συχνότητας:

• συντονισμός (ενίσχυση σημάτων σε στενή ζώνη συχνοτήτων).

• bandpass (ενισχύει μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων).

• ευρεία ζώνη (ενισχύει ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων).

5) ανά τύπο ενισχυτικών στοιχείων:

• ηλεκτρικών λαμπτήρων κενού?

• σε συσκευές ημιαγωγών.

• σε ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Όταν επιλέγετε έναν ενισχυτή, βγείτε από τις παραμέτρους του ενισχυτή:

• ισχύς εξόδου μετρημένη σε watt. Η ισχύς εξόδου ποικίλλει ευρέως ανάλογα με το σκοπό του ενισχυτή, για παράδειγμα σε ενισχυτές ήχου — από milliwatts στα ακουστικά έως δεκάδες και εκατοντάδες Watt σε συστήματα ήχου.

• Εύρος συχνότητας, μετρημένο σε hertz. Για παράδειγμα, ο ίδιος ενισχυτής ήχου θα πρέπει συνήθως να παρέχει κέρδος στην περιοχή συχνοτήτων 20–20.000 Hz και ένας ενισχυτής τηλεοπτικού σήματος (εικόνα + ήχος) — 20 Hz — 10 MHz και άνω.

• Μη γραμμική παραμόρφωση, μετρημένη σε ποσοστό%. Χαρακτηρίζει την παραμόρφωση του σχήματος του ενισχυμένου σήματος. Γενικά, όσο χαμηλότερη είναι μια δεδομένη παράμετρος, τόσο το καλύτερο.

• Η απόδοση (λόγος αποδοτικότητας) μετράται σε ποσοστό%.Δείχνει πόση ισχύς από το τροφοδοτικό χρησιμοποιείται για τη διάχυση ισχύος στο φορτίο. Το γεγονός είναι ότι μέρος της ισχύος της πηγής χάνεται, σε μεγαλύτερο βαθμό αυτές είναι απώλειες θερμότητας - η ροή του ρεύματος προκαλεί πάντα θέρμανση του υλικού. Αυτή η παράμετρος είναι ιδιαίτερα σημαντική για αυτοτροφοδοτούμενες συσκευές (από συσσωρευτές και μπαταρίες).

Το σχήμα 3 δείχνει ένα τυπικό κύκλωμα προενισχυτή διπολικού τρανζίστορ. Το σήμα εισόδου προέρχεται από μια πηγή τάσης Uin Οι πυκνωτές μπλοκαρίσματος Cp1 και Cp2 περνούν τη μεταβλητή π.χ. ενισχυμένο σήμα και δεν διέρχεται συνεχές ρεύμα, γεγονός που καθιστά δυνατή τη δημιουργία ανεξάρτητων τρόπων λειτουργίας για συνεχές ρεύμα σε στάδια ενισχυτή που συνδέονται σε σειρά.

Σχήμα 3 — Διάγραμμα της βαθμίδας του ενισχυτή ενός διπολικού τρανζίστορ

Οι αντιστάσεις Rb1 και Rb2 είναι ο κύριος διαχωριστής που παρέχει το ρεύμα εκκίνησης στη βάση του τρανζίστορ Ib0, ο αντιστάτης Rk παρέχει το ρεύμα εκκίνησης στον συλλέκτη Ik0. Αυτά τα ρεύματα ονομάζονται στρωτά ρεύματα. Ελλείψει σήματος εισόδου, είναι σταθερά. Το σχήμα 4 δείχνει τα διαγράμματα χρονισμού του ενισχυτή. Ένα διάγραμμα χρόνου είναι μια αλλαγή σε μια παράμετρο με την πάροδο του χρόνου.

Το Resistor Re παρέχει αρνητική ανάδραση ρεύματος (NF). Η ανάδραση (OC) είναι η μεταφορά ενός τμήματος του σήματος εξόδου στο κύκλωμα εισόδου του ενισχυτή. Εάν το σήμα εισόδου και το σήμα ανάδρασης είναι αντίθετα στη φάση, η ανάδραση λέγεται ότι είναι αρνητική. Το OOS μειώνει το κέρδος, αλλά ταυτόχρονα μειώνει την αρμονική παραμόρφωση και αυξάνει τη σταθερότητα του ενισχυτή. Χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλους τους ενισχυτές.

Η αντίσταση Rf και ο πυκνωτής Cf είναι στοιχεία φίλτρου.Ο πυκνωτής Cf σχηματίζει ένα κύκλωμα χαμηλής αντίστασης για τη μεταβλητή συνιστώσα του ρεύματος που καταναλώνει ο ενισχυτής από την πηγή Up. Τα στοιχεία φιλτραρίσματος είναι απαραίτητα εάν τροφοδοτούνται πολλές πηγές ενισχυτή από την πηγή.

Όταν εφαρμόζεται ένα σήμα εισόδου Uin, το ρεύμα Ib ~ εμφανίζεται στο κύκλωμα εισόδου και στην έξοδο Ik ~. Η πτώση τάσης που δημιουργείται από το ρεύμα Ik ~ μέσω του φορτίου Rn θα είναι το ενισχυμένο σήμα εξόδου.

Από τα προσωρινά διαγράμματα τάσεων και ρευμάτων (Εικ. 3) φαίνεται ότι οι μεταβλητές συνιστώσες των τάσεων στην είσοδο Ub ~ και στην έξοδο Uc ~ = Uout του καταρράκτη είναι αντιφασικές, δηλ. το στάδιο απολαβής του τρανζίστορ ΟΕ αλλάζει (αναστρέφει) τη φάση του σήματος εισόδου προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Σχήμα 4 — Διαγράμματα χρονισμού των ρευμάτων και των τάσεων στο στάδιο του ενισχυτή ενός διπολικού τρανζίστορ

Ένας λειτουργικός ενισχυτής (OU) είναι ένας ενισχυτής DC/AC με υψηλό κέρδος και βαθιά αρνητική ανάδραση.

Επιτρέπει την υλοποίηση μεγάλου αριθμού ηλεκτρονικών συσκευών, αλλά παραδοσιακά ονομάζεται ενισχυτής.

Μπορούμε να πούμε ότι οι λειτουργικοί ενισχυτές είναι η ραχοκοκαλιά όλων των αναλογικών ηλεκτρονικών. Η ευρεία χρήση των λειτουργικών ενισχυτών συνδέεται με την ευελιξία τους (την ικανότητα κατασκευής διαφόρων ηλεκτρονικών συσκευών στη βάση τους, αναλογικές και παλμικές), ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων (ενίσχυση σημάτων DC και AC), την ανεξαρτησία των κύριων παραμέτρων από εξωτερικούς αποσταθεροποιητές παράγοντες (αλλαγή θερμοκρασίας, τάση τροφοδοσίας κ.λπ.). Χρησιμοποιούνται κυρίως ολοκληρωμένοι ενισχυτές (IOU).

Η παρουσία της λέξης "λειτουργικό" στο όνομα εξηγείται από την πιθανότητα ότι αυτοί οι ενισχυτές μπορούν να εκτελέσουν μια σειρά από μαθηματικές πράξεις - πρόσθεση, αφαίρεση, διαφοροποίηση, ολοκλήρωση κ.λπ.

Το σχήμα 5 δείχνει το UGO IEE.Ο ενισχυτής έχει δύο εισόδους — εμπρός και πίσω και μία έξοδο. Όταν το σήμα εισόδου εφαρμόζεται σε μια μη αναστρέφουσα (άμεση) είσοδο, το σήμα εξόδου έχει την ίδια πολικότητα (φάση) — Εικόνα 5, α.

Σχήμα 5 — Συμβατικές γραφικές ονομασίες λειτουργικών ενισχυτών

Κατά τη χρήση της εισόδου αναστροφής, η φάση του σήματος εξόδου θα μετατοπιστεί κατά 180 ° σε σχέση με τη φάση του σήματος εισόδου (αντίστροφη πολικότητα) — Εικόνα 6, β. Οι αντίστροφες είσοδοι και έξοδοι κυκλώνονται.

Σχήμα 6 — Χρονικά διαγράμματα του οπ-ενισχυτή: α) — μη αντιστρεπτική, β) — αναστροφή

Όταν εφαρμόζεται τάση στην ταπετσαρία, η τάση εξόδου είναι ανάλογη με τη διαφορά μεταξύ των τάσεων εισόδου. Αυτά τα. το σήμα εισόδου αναστροφής γίνεται αποδεκτό με ένα σύμβολο «-». Uout = K (Uneinv — Uinv), όπου K είναι το κέρδος.

Σχήμα 7 — Χαρακτηριστικό πλάτους του op-amp

Ο op-amp τροφοδοτείται από μια διπολική πηγή, συνήθως +15 V και -15 V. Επιτρέπεται επίσης μονοπολική παροχή ρεύματος. Τα υπόλοιπα συμπεράσματα του IOU υποδεικνύονται όπως χρησιμοποιούνται.

Η λειτουργία του op-amp εξηγείται από το χαρακτηριστικό πλάτους - Εικόνα 8. Στο χαρακτηριστικό, μπορεί να διακριθεί μια γραμμική τομή, στην οποία η τάση εξόδου αυξάνεται αναλογικά με την αύξηση της τάσης εισόδου και δύο τμήματα κορεσμού U + κάθισε και υ- σατ. Σε μια ορισμένη τιμή της τάσης εισόδου Uin.max, ο ενισχυτής μεταβαίνει σε λειτουργία κορεσμού, στην οποία η τάση εξόδου λαμβάνει μια μέγιστη τιμή (σε τιμή Up = 15 V, περίπου Uns = 13 V) και παραμένει αμετάβλητη με μια περαιτέρω αύξηση του σήματος εισόδου. Η λειτουργία κορεσμού χρησιμοποιείται σε παλμικές συσκευές που βασίζονται σε λειτουργικούς ενισχυτές.

Οι ενισχυτές ισχύος χρησιμοποιούνται στα τελικά στάδια της ενίσχυσης και έχουν σχεδιαστεί για να δημιουργούν την απαιτούμενη ισχύ στο φορτίο.

Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η λειτουργία σε υψηλά επίπεδα σήματος εισόδου και υψηλά ρεύματα εξόδου, γεγονός που καθιστά αναγκαία τη χρήση ισχυρών ενισχυτών.

Οι ενισχυτές μπορούν να λειτουργήσουν σε λειτουργίες A, AB, B, C και D.

Στη λειτουργία Α, το ρεύμα εξόδου της συσκευής ενισχυτή (τρανζίστορ ή ηλεκτρονικός σωλήνας) είναι ανοιχτό για ολόκληρη την περίοδο του ενισχυμένου σήματος (δηλ. συνεχώς) και το ρεύμα εξόδου ρέει μέσα από αυτό. Οι ενισχυτές ισχύος κατηγορίας Α εισάγουν ελάχιστη παραμόρφωση στο ενισχυμένο σήμα, αλλά έχουν πολύ χαμηλή απόδοση.

Στη λειτουργία Β, το ρεύμα εξόδου χωρίζεται σε δύο μέρη, ένας ενισχυτής ενισχύει το θετικό μισό κύμα του σήματος, το δεύτερο αρνητικό. Ως αποτέλεσμα, υψηλότερη απόδοση από τη λειτουργία Α, αλλά και μεγάλες μη γραμμικές παραμορφώσεις που συμβαίνουν τη στιγμή της μεταγωγής τρανζίστορ.

Η λειτουργία AB επαναλαμβάνει τη λειτουργία Β, αλλά τη στιγμή της μετάβασης από το ένα μισό κύμα στο άλλο, και τα δύο τρανζίστορ είναι ανοιχτά, γεγονός που καθιστά δυνατή τη μείωση των παραμορφώσεων διατηρώντας παράλληλα υψηλή απόδοση. Η λειτουργία AB είναι η πιο κοινή για αναλογικούς ενισχυτές.

Η λειτουργία C χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει παραμόρφωση της κυματομορφής κατά την ενίσχυση, επειδή το ρεύμα εξόδου του ενισχυτή ρέει για λιγότερο από μισή περίοδο, γεγονός που φυσικά οδηγεί σε μεγάλες παραμορφώσεις.

Η λειτουργία D χρησιμοποιεί τη μετατροπή των σημάτων εισόδου σε παλμούς, την ενίσχυση αυτών των παλμών και στη συνέχεια τη μετατροπή τους πίσω.Σε αυτή την περίπτωση, τα τρανζίστορ εξόδου λειτουργούν σε λειτουργία κλειδιού (το τρανζίστορ είναι πλήρως κλειστό ή πλήρως ανοιχτό), γεγονός που φέρνει την απόδοση του ενισχυτή πιο κοντά στο 100% (σε λειτουργία AV, η απόδοση δεν υπερβαίνει το 50%). Οι ενισχυτές που λειτουργούν σε λειτουργία D ονομάζονται ψηφιακοί ενισχυτές.

Σε ένα κύκλωμα ώθησης-έλξης, η ενίσχυση (τρόποι Β και ΑΒ) λαμβάνει χώρα σε δύο κύκλους ρολογιού. Κατά τη διάρκεια του πρώτου μισού κύκλου, το σήμα εισόδου ενισχύεται από ένα τρανζίστορ και το άλλο κλείνει κατά τη διάρκεια αυτού του μισού κύκλου ή μέρος αυτού. Στο δεύτερο μισό κύκλο, το σήμα ενισχύεται από το δεύτερο τρανζίστορ ενώ το πρώτο είναι απενεργοποιημένο.

Το κύκλωμα ολίσθησης του ενισχυτή τρανζίστορ φαίνεται στο Σχήμα 8. Η βαθμίδα τρανζίστορ VT3 παρέχει ώθηση στα τρανζίστορ εξόδου VT1 και VT2. Οι αντιστάσεις R1 και R2 ρυθμίζουν τον σταθερό τρόπο λειτουργίας των τρανζίστορ.

Με την άφιξη ενός αρνητικού μισού κύματος Uin, το ρεύμα συλλέκτη VT3 αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της τάσης στις βάσεις των τρανζίστορ VT1 και VT2. Σε αυτή την περίπτωση, το VT2 κλείνει και μέσω του VT1 το ρεύμα συλλέκτη διέρχεται από το κύκλωμα: + Πάνω, μετάβαση K-E VT1, C2 (κατά τη φόρτιση), Rn, θήκη.

Όταν φτάσει ένα θετικό μισό κύμα, το Uin VT3 κλείνει, το οποίο οδηγεί σε μείωση της τάσης στις βάσεις των τρανζίστορ VT1 και VT2 — VT1 κλείνει και μέσω του VT2 το ρεύμα συλλέκτη ρέει μέσω του κυκλώματος: + C2, μετάβαση EK VT2, θήκη, Rn, -C2. Τ

Αυτό διασφαλίζει ότι το ρεύμα και των δύο μισών κυμάτων της τάσης εισόδου ρέει μέσω του φορτίου.

Σχήμα 8 — Σχηματική απεικόνιση ενός ενισχυτή ισχύος

Στη λειτουργία D, οι ενισχυτές λειτουργούν με διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM)… Το σήμα εισόδου διαμορφώνεται ορθογώνιους παλμούςαλλάζοντας τη διάρκειά τους.Στην περίπτωση αυτή, το σήμα μετατρέπεται σε ορθογώνιους παλμούς του ίδιου πλάτους, η διάρκεια των οποίων είναι ανάλογη με την τιμή του σήματος σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή.

Η σειρά παλμών τροφοδοτείται στο(τα) τρανζίστορ(α) για ενίσχυση. Επειδή το ενισχυμένο σήμα είναι παλμικό, το τρανζίστορ λειτουργεί σε λειτουργία κλειδιού. Η λειτουργία σε λειτουργία κλειδιού συνδέεται με ελάχιστες απώλειες, καθώς το τρανζίστορ είναι είτε κλειστό είτε πλήρως ανοιχτό (έχει ελάχιστη αντίσταση). Μετά την ενίσχυση, το εξάρτημα χαμηλής συχνότητας (ενισχυμένο αρχικό σήμα) εξάγεται από το σήμα χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης ( LPF) και τροφοδοτείται στο φορτίο.

Σχήμα 9 — Μπλοκ διάγραμμα ενισχυτή κατηγορίας D

Οι ενισχυτές κατηγορίας D χρησιμοποιούνται σε συστήματα ήχου φορητών υπολογιστών, κινητές επικοινωνίες, συσκευές ελέγχου κινητήρα και πολλά άλλα.

Οι σύγχρονοι ενισχυτές χαρακτηρίζονται από την ευρεία χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.