Elektronička pojačala u industrijskoj elektronici

To su uređaji dizajnirani za pojačavanje napona, struje i snage električnog signala.

Najjednostavnije pojačalo je tranzistorski sklop. Korištenje pojačala je zbog činjenice da su obično električni signali (naponi i struje) koji ulaze u elektroničke uređaje male amplitude te ih je potrebno povećati na potrebnu vrijednost dovoljnu za daljnju uporabu (pretvorba, prijenos, napajanje trošila ).

Slika 1 prikazuje uređaje potrebne za rad pojačala.

Slika 1 — Okruženje pojačala

Snaga koja se oslobađa kada je pojačalo opterećeno je pretvorena snaga njegovog izvora napajanja, a ulazni signal ga samo pokreće. Pojačala se napajaju izvorima istosmjerne struje.

Obično se pojačalo sastoji od nekoliko stupnjeva pojačanja (slika 2). Prvi stupnjevi pojačanja, dizajnirani uglavnom za pojačavanje napona signala, nazivaju se pretpojačala. Njihovi sklopovi određeni su vrstom izvora ulaznog signala.

Stupanj koji služi za pojačavanje snage signala naziva se terminal ili izlaz.Njihova shema određena je vrstom opterećenja. Također, pojačalo može uključivati ​​međustupnjeve dizajnirane za dobivanje potrebnog pojačanja i (ili) za formiranje potrebnih karakteristika pojačanog signala.

Slika 2 — Struktura pojačala

Klasifikacija pojačala:

1) ovisno o pojačanom parametru, naponu, struji, pojačalima snage

2) po prirodi pojačanih signala:

• pojačivači harmonijskih (kontinuiranih) signala;

• pojačala impulsnog signala (digitalna pojačala).

3) u području pojačanih frekvencija:

• DC pojačala;

• AC pojačala

• niske frekvencije, visoke, ultra visoke itd.

4) po prirodi frekvencijskog odziva:

• rezonantni (pojačavaju signale u uskom frekvencijskom pojasu);

• bandpass (pojačava određeni frekvencijski pojas);

• širokopojasni (pojačava cijeli raspon frekvencija).

5) prema vrsti armaturnih elemenata:

• električnih vakuumskih svjetiljki;

• na poluvodičkim uređajima;

• na integriranim krugovima.

Prilikom odabira pojačala, izađite iz parametara pojačala:

• izlazna snaga mjerena u vatima. Izlazna snaga uvelike varira ovisno o namjeni pojačala, primjerice kod pojačala zvuka — od milivata u slušalicama do desetaka i stotina vata u audio sustavima.

• Frekvencijski raspon, mjeren u hercima. Na primjer, isto audio pojačalo obično bi trebalo osigurati pojačanje u frekvencijskom rasponu 20–20 000 Hz, a pojačalo televizijskog signala (slika + zvuk) — 20 Hz — 10 MHz i više.

• Nelinearna distorzija, mjerena u postocima. Karakterizira izobličenje oblika pojačanog signala. Općenito, što je određeni parametar manji, to bolje.

• Učinkovitost (odnos učinkovitosti) mjeri se u postocima%.Pokazuje koliko se snage iz napajanja koristi za rasipanje snage u opterećenju. Činjenica je da se dio snage izvora gubi, u većoj mjeri to su gubici topline - protok struje uvijek uzrokuje zagrijavanje materijala. Ovaj je parametar posebno važan za uređaje s vlastitim napajanjem (iz akumulatora i baterija).

Slika 3 prikazuje tipičan krug pretpojačala bipolarnog tranzistora. Ulazni signal dolazi iz izvora napona Uin Blokirajući kondenzatori Cp1 i Cp2 propuštaju varijablu ie. pojačani signal i ne prolaze istosmjernu struju, što omogućuje stvaranje neovisnih načina rada za istosmjernu struju u serijski spojenim stupnjevima pojačala.

Slika 3 — Dijagram stupnja pojačala bipolarnog tranzistora

Otpornici Rb1 i Rb2 glavni su razdjelnik koji daje početnu struju bazi tranzistora Ib0, otpornik Rk daje početnu struju kolektoru Ik0. Ove struje se nazivaju laminarne struje. U nedostatku ulaznog signala, one su konstantne. Slika 4 prikazuje vremenske dijagrame pojačala. Vremenski dijagram je promjena parametra tijekom vremena.

Otpornik Re daje negativnu strujnu povratnu spregu (NF). Povratna veza (OC) je prijenos dijela izlaznog signala u ulazni krug pojačala. Ako su ulazni signal i povratni signal suprotne faze, kaže se da je povratna veza negativna. OOS smanjuje pojačanje, ali u isto vrijeme smanjuje harmonijska izobličenja i povećava stabilnost pojačala. Koristi se u gotovo svim pojačalima.

Otpornik Rf i kondenzator Cf su filterski elementi.Kondenzator Cf tvori krug niskog otpora za promjenjivu komponentu struje koju troši pojačalo iz izvora Up. Elementi za filtriranje su potrebni ako se iz izvora napaja nekoliko izvora pojačala.

Kada se dovede ulazni signal Uin, struja Ib ~ se pojavljuje u ulaznom krugu, au izlazu Ik ~. Pad napona koji stvara struja Ik ~ kroz trošilo Rn bit će pojačani izlazni signal.

Iz privremenih dijagrama napona i struja (sl. 3) vidljivo je da su promjenljive komponente napona na ulazu Ub ~ i izlazu Uc ~ = Uout kaskade protufazne, tj. stupanj pojačanja OE tranzistora mijenja (invertira) fazu ulaznog signala u suprotnom smjeru.

Slika 4 — Vremenski dijagrami struja i napona u stupnju pojačala bipolarnog tranzistora

Operacijsko pojačalo (OU) je DC/AC pojačalo s velikim pojačanjem i dubokom negativnom povratnom spregom.

Omogućuje implementaciju velikog broja elektroničkih uređaja, ali se tradicionalno naziva pojačalo.

Možemo reći da su operacijska pojačala okosnica cjelokupne analogne elektronike. Široka uporaba operacijskih pojačala povezana je s njihovom fleksibilnošću (mogućnost izgradnje različitih elektroničkih uređaja na njihovoj osnovi, analognih i impulsnih), širokim frekvencijskim rasponom (pojačanje DC i AC signala), neovisnošću glavnih parametara od vanjske destabilizacije čimbenici (promjena temperature, napon napajanja itd.). Uglavnom se koriste integrirana pojačala (IOU).

Prisutnost riječi "operativni" u nazivu objašnjava se mogućnošću da ova pojačala mogu izvesti niz matematičkih operacija - zbrajanje, oduzimanje, diferencijaciju, integraciju itd.

Slika 5 prikazuje UGO IEE.Pojačalo ima dva ulaza — naprijed i nazad i jedan izlaz. Kada se ulazni signal primijeni na neinvertirajući (izravni) ulaz, izlazni signal ima isti polaritet (fazu) - Slika 5, a.

Slika 5 — Uobičajene grafičke oznake operacijskih pojačala

Kada koristite invertirajući ulaz, faza izlaznog signala bit će pomaknuta za 180 ° u odnosu na fazu ulaznog signala (obrnuti polaritet) - Slika 6, b. Obrnuti ulazi i izlazi su zaokruženi.

Slika 6 — Vremenski dijagrami op-amp: a) — neinvertirajući, b) — invertirajući

Kada se na tapetu dovede napon, izlazni napon je proporcionalan razlici između ulaznih napona. ove. invertirajući ulazni signal prihvaća se sa znakom «-». Uout = K (Uneinv — Uinv), gdje je K dobitak.

Slika 7 — Amplitudna karakteristika op-amp-a

Op-amp se napaja iz bipolarnog izvora, obično od +15 V i -15 V. Dopušteno je i unipolarno napajanje. Ostali zaključci IOU navedeni su kako se koriste.

Rad op-amp je objašnjen amplitudnom karakteristikom - Slika 8. Na karakteristici se može razlikovati linearni dio, u kojem izlazni napon raste proporcionalno s porastom ulaznog napona, i dva dijela zasićenja U + sjedio i U- sjedio. Pri određenoj vrijednosti ulaznog napona Uin.max, pojačalo prelazi u način rada zasićenja, u kojem izlazni napon poprima maksimalnu vrijednost (pri vrijednosti Up = 15 V, približno Uns = 13 V) i ostaje nepromijenjen s daljnjim povećanje ulaznog signala. Način zasićenja koristi se u pulsnim uređajima koji se temelje na operacijskim pojačalima.

Pojačala snage koriste se u završnim fazama pojačanja i dizajnirana su za stvaranje potrebne snage u opterećenju.

Njihova glavna značajka je rad pri visokim razinama ulaznog signala i velikim izlaznim strujama, što zahtijeva upotrebu snažnih pojačala.

Pojačala mogu raditi u A, AB, B, C i D modovima.

U modu A izlazna struja pojačala (tranzistora ili elektroničke cijevi) je otvorena za cijelo vrijeme trajanja pojačanog signala (tj. stalno) i kroz njega teče izlazna struja. Pojačala snage klase A unose minimalna izobličenja u pojačani signal, ali imaju vrlo nisku učinkovitost.

U načinu B, izlazna struja je podijeljena na dva dijela, jedno pojačalo pojačava pozitivni poluval signala, drugi negativan. Kao rezultat, veća učinkovitost nego u modu A, ali i velika nelinearna izobličenja koja se javljaju u trenutku prebacivanja tranzistora.

Način rada AB ponavlja način rada B, ali u trenutku prijelaza s jednog poluvala na drugi oba su tranzistora otvorena, što omogućuje smanjenje izobličenja uz održavanje visoke učinkovitosti. AB način je najčešći za analogna pojačala.

Mod C se koristi u slučajevima kada nema izobličenja valnog oblika tijekom pojačanja, jer izlazna struja pojačala teče manje od pola perioda, što, naravno, dovodi do velikih izobličenja.

D način rada koristi pretvaranje ulaznih signala u impulse, pojačavanje tih impulsa i njihovo ponovno pretvaranje.U ovom slučaju izlazni tranzistori rade u ključnom načinu rada (tranzistor je potpuno zatvoren ili potpuno otvoren), čime se učinkovitost pojačala približava 100% (u AV načinu rada učinkovitost ne prelazi 50%). Pojačala koja rade u D modu nazivaju se digitalna pojačala.

U push-pull krugu, pojačanje (načini B i AB) događa se u dva takta. Tijekom prvog poluciklusa ulazni signal pojačava jedan tranzistor, a drugi je zatvoren tijekom tog poluciklusa ili njegovog dijela. U drugom poluciklusu signal pojačava drugi tranzistor dok je prvi isključen.

Klizni krug tranzistorskog pojačala prikazan je na slici 8. Tranzistorski stupanj VT3 daje pritisak na izlazne tranzistore VT1 i VT2. Otpornici R1 i R2 postavljaju stalni način rada tranzistora.

S dolaskom negativnog poluvala Uin, kolektorska struja VT3 se povećava, što dovodi do povećanja napona na bazama tranzistora VT1 i VT2. U ovom slučaju, VT2 se zatvara i kroz VT1 struja kolektora prolazi kroz krug: + Gore, prijelaz K-E VT1, C2 (tijekom punjenja), Rn, slučaj.

Kada stigne pozitivan poluval, Uin VT3 se zatvara, što dovodi do smanjenja napona na bazama tranzistora VT1 i VT2 - VT1 se zatvara, a kroz VT2 struja kolektora teče kroz krug: + C2, prijelaz EK VT2 , slučaj, Rn, -C2. T

Time se osigurava da struja oba poluvala ulaznog napona teče kroz trošilo.

Slika 8 — Shema pojačala snage

U načinu D, pojačala rade s modulacija širine impulsa (PWM)… Ulazni signal modulira pravokutni impulsipromjenom njihovog trajanja.U tom slučaju signal se pretvara u pravokutne impulse iste amplitude, čije je trajanje proporcionalno vrijednosti signala u bilo kojem trenutku.

Niz impulsa dovodi se do tranzistora(a) radi pojačanja. Budući da je pojačani signal pulsirajući, tranzistor radi u ključnom načinu rada. Rad u ključnom načinu rada povezan je s minimalnim gubicima, budući da je tranzistor zatvoren ili potpuno otvoren (ima minimalni otpor). Nakon pojačanja, niskofrekventna komponenta (pojačani izvorni signal) izdvaja se iz signala pomoću niskopropusnog filtra ( LPF) i dovodi do opterećenja.

Slika 9 — Blok dijagram pojačala klase D

Pojačala klase D koriste se u audiosustavima prijenosnih računala, mobilnim komunikacijama, uređajima za kontrolu motora itd.

Suvremena pojačala karakterizira široka uporaba integriranih sklopova.