Amplificatoare electronice în electronica industrială

Acestea sunt dispozitive concepute pentru a amplifica tensiunea, curentul și puterea unui semnal electric.

Cel mai simplu amplificator este un circuit tranzistor. Utilizarea amplificatoarelor se datorează faptului că, de regulă, semnalele electrice (tensiuni și curenți) care intră în dispozitivele electronice sunt de amplitudine mică și este necesară creșterea acestora la valoarea necesară suficientă pentru utilizare ulterioară (conversie, transmisie, alimentare cu energie a sarcinii). ).

Figura 1 prezintă dispozitivele necesare pentru a opera amplificatorul.

Figura 1 — Mediul amplificatorului

Puterea eliberată atunci când amplificatorul este încărcat este puterea convertită a sursei de alimentare, iar semnalul de intrare o conduce doar. Amplificatoarele sunt alimentate de surse de curent continuu.

De obicei, amplificatorul constă din mai multe etape de amplificare (Fig. 2). Primele etape de amplificare, concepute în principal pentru a amplifica tensiunea semnalului, se numesc preamplificatoare. Circuitele lor sunt determinate de tipul sursei semnalului de intrare.

Etapa care servește la amplificarea puterii semnalului se numește terminal sau ieșire.Schema lor este determinată de tipul de sarcină. De asemenea, amplificatorul poate include trepte intermediare concepute pentru a obține amplificarea necesară și (sau) pentru a forma caracteristicile necesare semnalului amplificat.

Figura 2 — Structura amplificatorului

Clasificarea amplificatorului:

1) în funcție de parametrul amplificat, tensiune, curent, amplificatoare de putere

2) prin natura semnalelor amplificate:

• amplificatoare de semnale armonice (continue);

• amplificatoare de semnal cu impulsuri (amplificatoare digitale).

3) în gama de frecvențe amplificate:

• Amplificatoare DC;

• amplificatoare AC

• frecvență joasă, înaltă, ultra înaltă etc.

4) după natura răspunsului în frecvență:

• rezonant (amplifica semnale într-o bandă de frecvență îngustă);

• bandpass (amplifică o anumită bandă de frecvență);

• bandă largă (amplifică întreaga gamă de frecvență).

5) după tipul elementelor de armare:

• de lămpi electrice cu vid;

• pe dispozitive semiconductoare;

• pe circuite integrate.

Când selectați un amplificator, ieșiți din parametrii amplificatorului:

• puterea de ieșire măsurată în wați. Puterea de ieșire variază foarte mult în funcție de scopul amplificatorului, de exemplu în amplificatoarele de sunet - de la miliwați în căști la zeci și sute de wați în sistemele audio.

• Gama de frecvență, măsurată în herți. De exemplu, același amplificator audio ar trebui să ofere de obicei câștig în intervalul de frecvență 20–20.000 Hz, iar un amplificator de semnal de televiziune (imagine + sunet) — 20 Hz — 10 MHz și mai mare.

• Distorsiune neliniară, măsurată în procente%. Caracterizează distorsiunea de formă a semnalului amplificat. În general, cu cât un parametru dat este mai mic, cu atât mai bine.

• Eficiența (raportul de eficiență) se măsoară în procente%.Afișează câtă putere de la sursa de alimentare este utilizată pentru a disipa puterea în sarcină. Faptul este că o parte din puterea sursei este irosită, într-o măsură mai mare acestea sunt pierderi de căldură - fluxul de curent provoacă întotdeauna încălzirea materialului. Acest parametru este deosebit de important pentru dispozitivele autoalimentate (de la acumulatori și baterii).

Figura 3 prezintă un circuit de preamplificare a tranzistorului bipolar tipic. Semnalul de intrare provine de la o sursă de tensiune Uin.Condensatorii de blocare Cp1 și Cp2 trec variabila ie. semnal amplificat și nu trece curent continuu, ceea ce face posibilă crearea unor moduri de funcționare independente pentru curent continuu în trepte de amplificator conectate în serie.

Figura 3 — Diagrama treptei de amplificare a unui tranzistor bipolar

Rezistoarele Rb1 și Rb2 sunt divizorul principal care furnizează curentul de pornire la baza tranzistorului Ib0, rezistența Rk furnizează curentul de pornire colectorului Ik0. Acești curenți se numesc curenți laminari. În absența unui semnal de intrare, acestea sunt constante. Figura 4 prezintă diagramele de timp ale amplificatorului. Un grafic de timp este o modificare a unui parametru în timp.

Rezistorul Re oferă feedback de curent negativ (NF). Feedback-ul (OC) este transferul unei părți a semnalului de ieșire către circuitul de intrare al amplificatorului. Dacă semnalul de intrare și semnalul de feedback sunt opuse în fază, se spune că feedback-ul este negativ. OOS reduce câștigul, dar în același timp reduce distorsiunea armonică și crește stabilitatea amplificatorului. Este folosit în aproape toate amplificatoarele.

Rezistorul Rf și condensatorul Cf sunt elemente de filtrare.Condensatorul Cf formează un circuit cu rezistență scăzută pentru componenta variabilă a curentului consumat de amplificator de la sursa Up. Elementele de filtrare sunt necesare dacă de la sursă sunt alimentate mai multe surse de amplificator.

Când se aplică un semnal de intrare Uin, curentul Ib ~ apare în circuitul de intrare, iar la ieșire Ik ~. Căderea de tensiune creată de curentul Ik ~ prin sarcina Rn va fi semnalul de ieșire amplificat.

Din diagramele temporare ale tensiunilor și curenților (Fig. 3) se poate observa că componentele variabile ale tensiunilor la intrarea Ub ~ și la ieșirea Uc ~ = Uout din cascadă sunt antifazate, adică. treapta de câștig a tranzistorului OE schimbă (inversează) faza semnalului de intrare în sens opus.

Figura 4 — Diagrame de timp ale curenților și tensiunilor în treapta de amplificare a unui tranzistor bipolar

Un amplificator operațional (OU) este un amplificator DC/AC cu câștig mare și feedback negativ profund.

Permite implementarea unui număr mare de dispozitive electronice, dar se numește în mod tradițional amplificator.

Putem spune că amplificatoarele operaționale sunt coloana vertebrală a tuturor electronicelor analogice. Utilizarea largă a amplificatoarelor operaționale este asociată cu flexibilitatea acestora (capacitatea de a construi diverse dispozitive electronice pe baza lor, atât analogice, cât și în impulsuri), o gamă largă de frecvență (amplificarea semnalelor DC și AC), independența parametrilor principali de destabilizarea externă. factori (modificarea temperaturii, tensiunea de alimentare etc.). Amplificatoarele integrate (IOU) sunt utilizate în principal.

Prezența cuvântului „operațional” în nume se explică prin posibilitatea ca aceste amplificatoare să poată efectua o serie de operații matematice - adunare, scădere, diferențiere, integrare etc.

Figura 5 prezintă UGO IEE.Amplificatorul are două intrări - înainte și înapoi și o ieșire. Când semnalul de intrare este aplicat unei intrări neinversoare (directe), semnalul de ieșire are aceeași polaritate (fază) - Figura 5, a.

Figura 5 — Denumirile grafice convenționale ale amplificatoarelor operaționale

La utilizarea intrării inversoare, faza semnalului de ieșire va fi deplasată cu 180 ° față de faza semnalului de intrare (polaritate inversată) - Figura 6, b. Intrările și ieșirile inverse sunt încercuite.

Figura 6 — Diagramele temporale ale amplificatorului operațional: a) — neinversabilă, b) — inversabilă

Când se aplică o tensiune pe tapet, tensiunea de ieșire este proporțională cu diferența dintre tensiunile de intrare. Aceste. semnalul de intrare inversor este acceptat cu semnul «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), unde K este câștigul.

Figura 7 — Caracteristica de amplitudine a amplificatorului operațional

Op-amp-ul este alimentat de o sursă bipolară, de obicei +15 V și -15 V. Este permisă și o sursă de alimentare unipolară. Restul concluziilor IOU sunt indicate pe măsură ce sunt utilizate.

Funcționarea amplificatorului operațional este explicată prin caracteristica de amplitudine - Figura 8. Pe caracteristică, se poate distinge o secțiune liniară, în care tensiunea de ieșire crește proporțional cu creșterea tensiunii de intrare și două secțiuni de saturație U + sat și U- sat. La o anumită valoare a tensiunii de intrare Uin.max, amplificatorul intră în modul de saturație, în care tensiunea de ieșire își asumă o valoare maximă (la o valoare de Up = 15 V, aproximativ Uns = 13 V) și rămâne neschimbată cu o altă valoare. creșterea semnalului de intrare. Modul de saturație este utilizat în dispozitivele cu impulsuri bazate pe amplificatoare operaționale.

Amplificatoarele de putere sunt utilizate în etapele finale de amplificare și sunt proiectate pentru a crea puterea necesară în sarcină.

Caracteristica lor principală este funcționarea la niveluri ridicate de semnal de intrare și curenți mari de ieșire, ceea ce necesită utilizarea amplificatoarelor puternice.

Amplificatoarele pot funcționa în modurile A, AB, B, C și D.

În modul A, curentul de ieșire al dispozitivului amplificator (tranzistor sau tub electronic) este deschis pentru întreaga perioadă a semnalului amplificat (adică, în mod constant) și curentul de ieșire trece prin acesta. Amplificatoarele de putere din clasa A introduc distorsiuni minime în semnalul amplificat, dar au o eficiență foarte scăzută.

În modul B, curentul de ieșire este împărțit în două părți, un amplificator amplifică semi-undă pozitivă a semnalului, al doilea negativ. Ca urmare, eficiență mai mare decât în ​​modul A, dar și distorsiuni mari neliniare care apar în momentul comutării tranzistoarelor.

Modul AB repetă modul B, dar în momentul tranziției de la o jumătate de undă la alta, ambele tranzistoare sunt deschise, ceea ce face posibilă reducerea distorsiunilor, menținând în același timp o eficiență ridicată. Modul AB este cel mai comun pentru amplificatoarele analogice.

Modul C este utilizat în cazurile în care nu există o distorsiune a formei de undă în timpul amplificării, deoarece curentul de ieșire al amplificatorului curge mai puțin de jumătate de perioadă, ceea ce, desigur, duce la distorsiuni mari.

Modul D folosește conversia semnalelor de intrare în impulsuri, amplificarea acestor impulsuri și apoi convertirea lor înapoi.În acest caz, tranzistoarele de ieșire funcționează în modul cheie (tranzistorul este complet închis sau complet deschis), ceea ce aduce eficiența amplificatorului mai aproape de 100% (în modul AV, eficiența nu depășește 50%). Amplificatoarele care funcționează în modul D sunt numite amplificatoare digitale.

Într-un circuit push-pull, amplificarea (modurile B și AB) are loc în două cicluri de ceas. În timpul primului semiciclu, semnalul de intrare este amplificat de un tranzistor, iar celălalt este închis în timpul acestui semiciclu sau o parte a acestuia. În a doua jumătate de ciclu, semnalul este amplificat de al doilea tranzistor, în timp ce primul este oprit.

Circuitul de alunecare al amplificatorului cu tranzistor este prezentat în Figura 8. Etapa tranzistorului VT3 oferă o împingere la tranzistoarele de ieșire VT1 și VT2. Rezistoarele R1 și R2 stabilesc modul constant de funcționare al tranzistoarelor.

Odată cu sosirea unei semi-undă negative Uin, curentul colectorului VT3 crește, ceea ce duce la o creștere a tensiunii la bazele tranzistoarelor VT1 și VT2. În acest caz, VT2 se închide și prin VT1 curentul colectorului trece prin circuit: + Sus, tranziție K-E VT1, C2 (în timpul încărcării), Rn, carcasă.

Când sosește o semiundă pozitivă, Uin VT3 se închide, ceea ce duce la o scădere a tensiunii la bazele tranzistoarelor VT1 și VT2 — VT1 se închide, iar prin VT2 curentul colectorului circulă prin circuit: + C2, tranziția EK VT2 , caz, Rn, -C2. T

Acest lucru asigură că curentul ambelor semi-unde ale tensiunii de intrare circulă prin sarcină.

Figura 8 — Schema unui amplificator de putere

În modul D, amplificatoarele funcționează cu modularea lățimii impulsului (PWM)… Semnalul de intrare modulează impulsuri dreptunghiulareprin modificarea duratei acestora.În acest caz, semnalul este convertit în impulsuri dreptunghiulare de aceeași amplitudine, a căror durată este proporțională cu valoarea semnalului în orice moment în timp.

Trenul de impulsuri este alimentat la tranzistor(i) pentru amplificare. Deoarece semnalul amplificat este pulsat, tranzistorul funcționează în modul cheie. Funcționarea în modul cheie este asociată cu pierderi minime, deoarece tranzistorul este fie închis, fie complet deschis (are rezistență minimă). După amplificare, componenta de frecvență joasă (semnal original amplificat) este extrasă din semnal folosind un filtru trece-jos ( LPF) și alimentat la sarcină.

Figura 9 — Schema bloc a unui amplificator de clasa D

Amplificatoarele de clasa D sunt utilizate în sistemele audio pentru laptop, comunicațiile mobile, dispozitivele de control al motoarelor și multe altele.

Amplificatoarele moderne se caracterizează prin utilizarea pe scară largă a circuitelor integrate.