Електронни усилватели в индустриалната електроника

Това са устройства, предназначени да усилват напрежението, тока и мощността на електрически сигнал.

Най-простият усилвател е транзисторна схема. Използването на усилватели се дължи на факта, че обикновено електрическите сигнали (напрежения и токове), постъпващи в електронни устройства, са с малка амплитуда и се налага тяхното увеличаване до необходимата стойност, достатъчна за по -нататъшна употреба (преобразуване, предаване, захранване към товара) .

Фигура 1 показва устройствата, необходими за работата на усилвателя.

Фигура 1 — Среда на усилвателя

Мощността, освободена при натоварване на усилвателя, е преобразуваната мощност на неговото захранване и входният сигнал само го задвижва. Усилвателите се захранват от източници на постоянен ток.

Обикновено усилвателят се състои от няколко етапа на усилване (фиг. 2). Първите етапи на усилване, предназначени главно за усилване на сигналното напрежение, се наричат ​​предварителни. Техните схеми се определят от типа източник на входен сигнал.

Етапът, който служи за усилване на мощността на сигнала, се нарича терминал или изход. Тяхната схема се определя от вида на натоварването. Също така, усилвателят може да включва междинни етапи, предназначени да получат необходимото усилване и (или) да формират необходимите характеристики на усиления сигнал.

Фигура 2 — Структура на усилвателя

Класификация на усилвателя:

1) в зависимост от усиления параметър, усилватели на напрежение, ток, мощност

2) по естеството на усилените сигнали:

• усилватели на хармонични (непрекъснати) сигнали;

• усилватели на импулсен сигнал (цифрови усилватели).

3) в обхвата на усилените честоти:

• DC усилватели;

• AC усилватели

• ниска честота, висока, свръхвисока и др.

4) по естеството на честотната характеристика:

• резонансни (усилват сигналите в тясна честотна лента);

• bandpass (усилва определена честотна лента);

• широколентов (усилва целия честотен диапазон).

5) по типа подсилващи елементи:

• на електрически вакуумни лампи;

• върху полупроводникови устройства;

• върху интегрални схеми.

Когато избирате усилвател, изходете от параметрите на усилвателя:

• изходяща мощност, измерено във ватове. Изходната мощност варира в широки граници в зависимост от предназначението на усилвателя, например в звукови усилватели — от миливата в слушалките до десетки и стотици вата в аудиосистемите.

• Честотен диапазон, измерено в херц. Например, един и същ аудио усилвател обикновено трябва да осигурява усилване в честотния диапазон 20–20 000 Hz, а усилвател на телевизионен сигнал (изображение + звук) — 20 Hz — 10 MHz и по -висок.

• Нелинейно изкривяване, се измерват в проценти%. Характеризира изкривяването на формата на усиления сигнал. Обикновено, колкото по -нисък е даден параметър, толкова по -добре.

• Ефективност (коефициент на ефективност), се измерват в проценти%. Показва колко енергия от захранването се изразходва за разсейване на мощността в товара. Факт е, че част от мощността на източника се губи безполезно, в по -голяма степен това са топлинни загуби — потокът от ток винаги причинява нагряване на материала. Този параметър е особено важен за устройства със самостоятелно захранване (от акумулатори и батерии).

Фигура 3 показва типична биполярна транзисторна схема за предварително усилване. Входният сигнал идва от източник на напрежение Uin.Блокиращите кондензатори Cp1 и Cp2 преминават променливата, т.е. усилен сигнал и не пропускат постоянен ток, което прави възможно създаването на независими режими на работа за постоянен ток в последователно свързани усилвателни етапи.

Фигура 3 — Диаграма на усилвателния етап на биполярен транзистор

Резисторите Rb1 и Rb2 са основният делител, осигуряващ началния ток на базата на транзистора Ib0, резисторът Rk осигурява началния ток на колектора Ik0. Тези течения се наричат ​​спокойни токове. При липса на входен сигнал те са постоянни. Фигура 4 показва временните диаграми на усилвателя. Времевата диаграма е промяна в параметър с течение на времето.

Резисторът Re осигурява отрицателна обратна връзка по ток (NF). Обратна връзка (OC) е прехвърлянето на част от изходния сигнал към входната верига на усилвателя. Ако входният сигнал и сигналът за обратна връзка са фазово противоположни, се казва, че обратната връзка е отрицателна. OOS намалява усилването, но в същото време намалява хармоничните изкривявания и увеличава стабилността на усилвателя. Използва се в почти всички усилватели.

Резисторът Rf и кондензаторът Cf са филтриращи елементи. Кондензаторът Cf образува верига с ниско съпротивление за променливия компонент на тока, консумиран от усилвателя от източника Uп. Филтриращите елементи са необходими, ако няколко източника на усилвател се захранват от източника.

Когато се прилага входен сигнал Uin, токът Ib ~ се появява във входната верига, а в изхода Ik ~. Спадът на напрежението, създаден от тока Ik ~ през товара Rn, ще бъде усиления изходен сигнал.

От временните диаграми на напрежения и токове (фиг. 3) може да се види, че променливите компоненти на напреженията на входа Ub ~ и изхода Uc ~ = Uout на каскадата са антифазни, т.е. етапът на усилване на транзистора с ОЕ променя (инвертира) фазата на входния сигнал в обратна посока.

Фигура 4 — Временни диаграми на токове и напрежения в усилвателния етап на биполярен транзистор

Операционен усилвател (OU) е DC / AC усилвател с висока печалба и дълбока отрицателна обратна връзка.

Той позволява внедряването на голям брой електронни устройства, но традиционно се нарича усилвател.

Можем да кажем, че операционните усилватели са гръбнакът на цялата аналогова електроника. Широкото използване на операционни усилватели е свързано с тяхната гъвкавост (способността да се изграждат на тяхна основа различни електронни устройства, както аналогови, така и импулсни), широк честотен диапазон (усилване на DC и AC сигнали), независимост на основните параметри от външно дестабилизиране фактори (промяна на температурата, захранващо напрежение и др.). Основно се използват интегрирани усилватели (IOU).

Наличието на думата «оперативен» в името се обяснява с възможността тези усилватели да изпълняват редица математически операции — сумиране, изваждане, диференциране, интегриране и т.н.

Фигура 5 показва UGO IEE. Усилвателят има два входа — директен и обратен и един изход. Когато входният сигнал се прилага към неинвертиращ (директен) вход, изходният сигнал има същата полярност (фаза) — Фигура 5, а.

Фигура 5 — Конвенционални графични обозначения на операционни усилватели

Когато използвате инвертиращия вход, фазата на изходния сигнал ще бъде изместена с 180 ° спрямо фазата на входния сигнал (полярността е обърната) — Фигура 6, б. Обратните входове и изходи са обозначени с кръг.

Фигура 6 — Времеви диаграми на оп -усилвателя: а) — неинвертиращ, б) — инвертиращ

Когато напрежението се прилага към тапета, изходното напрежение е пропорционално на разликата между входните напрежения. Тези. сигналът на инвертиращия вход се приема със знак «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), където K е печалбата.

Фигура 7 — Амплитудна характеристика на оп -усилвателя

Оп -усилвателят се захранва от биполярен източник, обикновено + 15V и -15V.Разрешено е и еднополюсно захранване. Останалите заключения на IOU са посочени, докато се използват.

Работата на оп-усилвателя се обяснява с амплитудната характеристика- Фигура 8. По характеристиката може да се разграничи линеен участък, в който изходното напрежение пропорционално се увеличава с увеличаване на входното напрежение, и две секции на насищане U + sat и U- седнал. При определена стойност на входното напрежение Uin.max усилвателят преминава в режим на насищане, при който изходното напрежение приема максимална стойност (при стойност на Uп = 15 V, приблизително Uns = 13 V) и остава непроменено с допълнително увеличаване на входния сигнал. Режимът на насищане се използва в импулсни устройства, базирани на операционни усилватели.

Усилватели на мощност се използват в крайните етапи на усилване и са предназначени да създадат необходимата мощност в товара.

Основната им характеристика е работата при високи нива на входен сигнал и високи изходни токове, което налага използването на мощни усилващи устройства.

Усилвателите могат да работят в режими A, AB, B, C и D.

В режим А, изходният ток на усилвателното устройство (транзистор или електронна лампа) е отворен през целия период на усиления сигнал (т.е. постоянно) и изходният ток протича през него. Усилвателите на мощност от клас А въвеждат минимални изкривявания в усиления сигнал, но имат много ниска ефективност.

В режим B изходният ток е разделен на две части, един усилвател усилва положителната полувълна на сигнала, вторият отрицателен. В резултат на това по -висока ефективност, отколкото в режим А, но и големи нелинейни изкривявания, възникващи в момента на превключване на транзистори.

Режимът AB повтаря режима B, но в момента на преход от едната полувълна към другата и двата транзистора са отворени, което прави възможно намаляването на изкривяванията, като същевременно се поддържа висока ефективност. Режимът AB е най -често срещаният за аналогови усилватели.

Режим C се използва в случаите, когато няма изкривяване на формата на вълната по време на усилване, т.к изходният ток на усилвателя тече за по -малко от половин период, което, разбира се, води до големи изкривявания.

Режим D използва преобразуването на входните сигнали в импулси, усилването на тези импулси и след това обратното преобразуване. В този случай изходните транзистори работят в ключов режим (транзисторът е напълно затворен или напълно отворен), което приближава ефективността на усилвателя до 100% (в AV режим ефективността не надвишава 50%). Усилвателите, работещи в режим D, се наричат ​​цифрови усилватели.

В push-pull верига усилването (режимите B и AB) се случва в два тактови цикъла. През първия полупериод входният сигнал се усилва от един транзистор, а другият се затваря през този полупериод или част от него. Във втория полупериод сигналът се усилва от втория транзистор, докато първият се изключва.

Плъзгащата верига на транзисторния усилвател е показана на фигура 8. Транзисторният етап VT3 осигурява натискане на изходните транзистори VT1 ​​и VT2. Резисторите R1 и R2 задават постоянния режим на работа на транзисторите.

С пристигането на отрицателна полувълна Uin, колекторният ток VT3 се увеличава, което води до увеличаване на напрежението в основите на транзисторите VT1 и VT2. В този случай VT2 се затваря и през VT1 колекторният ток преминава през веригата: + Uп, преход К-Э VT1, C2 (по време на зареждане), Rн, случай.

Когато пристигне положителна полувълна, Uin VT3 се затваря, което води до намаляване на напрежението в основите на транзисторите VT1 и VT2 — VT1 се затваря, а през VT2 колекторният ток протича през веригата: + C2, преход EK VT2 , случай, Rn, -C2. T

Това гарантира, че токът на двете полувълни на входното напрежение протича през товара.

Фигура 8 — Схема на усилвател с мощност

В режим D усилвателите работят с широчинно -импулсна модулация (ШИМ)… Входният сигнал модулира правоъгълни импулсичрез промяна на тяхната продължителност. В този случай сигналът се преобразува в правоъгълни импулси със същата амплитуда, чиято продължителност е пропорционална на стойността на сигнала във всеки момент от времето.

Импулсният ход се подава към транзистора (транзисторите) за усилване. Защото усиленият сигнал е импулсен, транзисторът работи в ключов режим. Работата в ключов режим е свързана с минимални загуби, тъй като транзисторът е или затворен, или напълно отворен (има минимално съпротивление).След усилване нискочестотният компонент (усилен оригинален сигнал) се извлича от сигнала с помощта на нискочестотен филтър (LPF) и се подава към товара.

Фигура 9 — Блокова схема на усилвател клас D

Усилвателите от клас D се използват в аудио системи за лаптопи, мобилни комуникации, устройства за управление на двигателя и др.

Съвременните усилватели се характеризират с широкото използване на интегрални схеми.