Az erősítő áramkörök megértése

Az erősítő általában úgy definiálható, mint egy áramkör, amelyet arra terveztek, hogy az alkalmazott kis teljesítményű bemeneti jelet nagy teljesítményű kimenő jellé fokozza, az alkatrészek meghatározott besorolása szerint.

Bár az alapfunkció változatlan, az erősítőket kialakításuktól és konfigurációjuktól függően különböző kategóriákba lehet sorolni.

Áramkörök a logikai bemenetek erősítésére

Találkozhatott egyetlen tranzisztoros erősítővel, amelyek úgy vannak konfigurálva, hogy működjenek és erősítsék az alacsony jel logikát olyan bemeneti érzékelő eszközökből, mint pl. LDR-ek, fotodiódák , IR eszközök. Ezeknek az erősítőknek a kimenetét a következő kapcsolásra használják strand papucs vagy egy relé BE / KI válaszul az érzékelő készülékek jeleire.

Láthatott apró erősítőket is, amelyeket zenei vagy audiobemenet előerősítésére vagy LED-lámpa működtetésére használnak.
Mindezek kis erősítők kisméretű jelerősítőként vannak besorolva.

Az erősítők típusai

Elsõsorban az erõsítõ áramköröket építik be a zenei frekvencia erõsítésére úgy, hogy az adagolt kicsi zenebemenetet sokszorosára, általában 100-ról 1000-re erősítsék, és hangszórón reprodukálják.

Az ilyen áramkörök teljesítményüktől vagy teljesítményüktől függően kialakíthatók a kis opamp alapú kis jelerősítőktől a nagy jelerősítőkig, amelyeket teljesítményerősítőknek is neveznek. Ezeket az erősítőket technikailag osztályozzák a működési elvek, az áramkörök fokozatai és a amelyek konfigurálhatók az erősítési funkció feldolgozására.

Az alábbi táblázat bemutatja az erősítők osztályozásának részleteit műszaki specifikációik és működési elvük alapján:

Egy alaperősítő-konstrukcióban azt tapasztaltuk, hogy többnyire tartalmaz néhány fokozatot, amelyekben bipoláris tranzisztorok vagy BJT-k, terepi hatású tranzisztorok (FET) vagy operációs erősítők találhatók.

Az ilyen erősítőblokkokról vagy -modulokról látható, hogy van néhány termináljuk a bemeneti jel táplálásához, és egy másik terminálpár a kimeneten az erősített jel megszerzéséhez egy csatlakoztatott hangszórón.

E kettő közül az egyik terminál a földi terminál, és közös vonalként tekinthető a bemeneti és a kimeneti szakaszon.

Az erősítő három tulajdonsága

Az ideális erősítő három fontos tulajdonsága a következő:

• Bemeneti ellenállás (Rin)
• Kimeneti ellenállás (útvonal)
• Gain (A), amely az erősítő erősítési tartománya.

Az ideális erősítő működésének megértése

Az erősített jel különbségét a kimenet és a bemenet között az erősítő erősítésének nevezzük. Ez az a nagyság vagy mennyiség, amellyel az erősítő képes erősíteni a bemeneti jelet a kimeneti terminálokon keresztül.

Például, ha egy erősítő besorolása szerint az 1 voltos bemeneti jelet 50 voltos erősített jellé dolgozza fel, akkor azt mondanánk, hogy az erősítőnek 50 erősítése van, ez ilyen egyszerű.
Az alacsony bemeneti jelnek egy magasabb kimeneti jellé való fokozását az ún nyereség egy erősítő. Alternatív megoldásként ez úgy értelmezhető, mint a bemeneti jel 50-szeres növekedése.

Nyereségarány Tehát az erősítő erősítése alapvetően a jelszintek kimeneti és bemeneti értékének aránya, vagy egyszerűen a kimenő teljesítmény és a bemeneti teljesítmény aránya, és az „A” betűvel tulajdonítható, amely az erősítő erősítési teljesítményét is jelzi.

Az erősítő nyereségének típusai Az erősítő különféle erősítései a következő kategóriákba sorolhatók:

1. Feszültség erősítés (ki)
2. Jelenlegi nyereség (Ai)
3. Teljesítmény-erősítés (Ap)

Példa képletekre az erősítő nyereségének kiszámításához A fenti 3 nyereségfajtától függően ezek kiszámításának képletei a következő példákból tanulhatók:

1. Feszültségerősítés (Av) = Kimeneti feszültség / Bemeneti feszültség = Vout / Vin
2. Áramerősítés (Ai) = Kimeneti áram / Bemeneti áram = Iout / Iin
3. Teljesítménynövekedés (Ap) = Átl.x.A én

Az teljesítménynövekedés kiszámításához alternatívaként használhatja a következő képletet is:
Teljesítménynövekedés (Ap) = Kimeneti teljesítmény / Bemeneti teljesítmény = Aout / Ain

Fontos megjegyezni, hogy az index p, v, i A teljesítmény kiszámításához használt elemeket hozzárendelik az adott típusú jelerősítés azonosításához, amelyen dolgozik.

Decibelek kifejezése

Talál egy másik módszert az erősítő teljesítménynövekedésének kifejezésére, amely decibelben vagy (dB).
A Bel (B) mérték vagy mennyiség egy logaritmikus egység (10. alap), amely nem rendelkezik mértékegységgel.
A decibel azonban túl nagy egység lehet a gyakorlati használathoz, ezért az alacsonyabb decibel (dB) verziót használjuk az erősítő számításához.
Íme néhány képlet, amely felhasználható az erősítő erősítésének decibelben történő mérésére:

1. Feszültségerősítés dB-ben: ki = 20 * log (ki)
2. Áramerősítés dB-ben: ai = 20 * log (Ai)
3. Teljesítménynövekedés dB-ben: ap = 10 * log (Ap)

Néhány tény a dB-mérésről
Fontos megjegyezni, hogy az erősítő egyenáramának erősítése a kimeneti / bemeneti arány közös logjának tízszerese, míg az áram és a feszültség nyeresége 20-szorosa az arányuk közös logjának.

Ez azt jelenti, hogy mivel logaritmiai skálát veszünk figyelembe, a 20dB-os nyereség nem tekinthető a 10dB kétszeresének, a log skálák nemlineáris mérési jellemzői miatt.

Amikor az erősítést dB-ben mérik, a pozitív értékek az erősítő erősítését jelentik, míg a negatív dB értéke az erősítő erősítésének elvesztését jelzi.

Például, ha + 3dB erősítést azonosítunk, az az adott erősítő kimenetének kétszeres vagy kétszeres erősítését jelzi.

Ezzel szemben, ha az eredmény -3dB, akkor azt jelzi, hogy az erősítő vesztesége 50% -os vagy x0,5 mértékű veszteség. Ezt félteljesítmény-pontnak is nevezik, ami -3dB-al alacsonyabb, mint a maximálisan elérhető teljesítmény, 0dB-vel szemben, amely az erősítő lehető legnagyobb kimenete.

Az erősítők kiszámítása

Számítsa ki az erősítő feszültségét, áramerősségét és teljesítménynövekedését az alábbi specifikációkkal: Bemeneti jel = 10mV @ 1mAKimeneti jel = 1V @ 10mA. Ezenkívül decibel (dB) értékek segítségével derítse ki az erősítő erősítését.

Megoldás:

A fent megismert képletek alkalmazásával kiértékelhetjük az erősítőhöz kapcsolódó különféle nyereségeket a kézben lévő kimeneti specifikációk szerint:

Feszültségerősítés (Av) = Kimeneti feszültség / Bemeneti feszültség = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Áramerősítés (Ai) = Kimeneti áram / Bemeneti áram = Iout / Iin = 10/1 = 10
Teljesítménynövekedés (Ap) = Átl. x A én = 100 x 10 = 1000

Az eredmények decibelben történő megszerzéséhez a következő képleteket alkalmazzuk:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Erősítő alegységek

Kis jelerősítők: Az erősítő teljesítmény- és feszültségnövekedési jellemzői tekintetében lehetővé válik számunkra, hogy felosztjuk őket pár különböző kategóriába.

Az első típust kis jelerősítőnek nevezzük. Ezeket a kis jelerősítőket általában előerősítő szakaszokban, műszeres erősítőkben stb. Használják.

Ezeket az erősítőket úgy tervezték meg, hogy a bemeneteiken a perc jelszintjeit kezeljék, néhány mikrovolt tartományában, például érzékelőeszközökből vagy kicsi audiojel bemenetekből.

Nagy jelerősítők: A második típusú erősítőket nagy jelerősítőként nevezik meg, és ahogy a neve is mutatja, ezeket erősítő alkalmazásokban alkalmazzák hatalmas erősítési tartományok elérése érdekében. Ezekben az erõsítõkben a bemeneti jel viszonylag nagyobb nagyságrendû, így azokat alapvetõen fel lehet erõsíteni az erõs hangszórókba történõ reprodukció és behajtás céljából.

A teljesítményerősítők működése

Mivel a kis jelerősítőket kis bemeneti feszültségek feldolgozására tervezték, ezeket kis jelerősítőknek nevezzük. Ha azonban erősítőre van szükség ahhoz, hogy nagy kapcsolóáramú alkalmazásokkal működjön a kimenetükön, például motor működtetése vagy mélynyomók ​​működtetése, akkor a teljesítményerősítő elkerülhetetlenné válik.

A legnépszerűbb, hogy a teljesítményerősítőket audio erősítőként használják nagy hangszórók vezetésére, valamint hatalmas zenei szintű erősítések és hangerő kimenetek elérésére.

A teljesítményerősítő működéséhez külső egyenfeszültségre van szükség, és ezt az egyenfeszültséget arra használják, hogy a kimenetükön elérjék a kívánt nagy teljesítményű erősítést. Az egyenáramú áramot általában transzformátorokon vagy SMPS alapú egységeken keresztüli nagyáramú nagyfeszültségű tápegységeken keresztül nyerik.

Bár a teljesítményerősítők képesek az alacsonyabb bemeneti jelet nagy kimeneti jelekké emelni, az eljárás valójában nem túl hatékony. Ennek oka, hogy a folyamat során jelentős mennyiségű egyenáramú energia pazarlik el hőelvezetés formájában.

Tudjuk, hogy egy ideális erősítő kimenete szinte megegyezik az elfogyasztott energiával, ami 100% -os hatékonyságot eredményez. Ez azonban gyakorlatilag meglehetősen távolinak tűnik, és nem biztos, hogy megvalósítható, az áramellátó készülékek hő formájában bekövetkező egyenáramú energiaveszteségei miatt.

Egy erősítő hatékonysága A fenti megfontolásokból az erősítő hatékonyságát fejezhetjük ki:

Hatékonyság = Erősítő teljesítménykimenete / Erősítő egyenfogyasztása = Pout / Pin

Ideális erősítő

A fenti megbeszélésre hivatkozva lehetséges lehet, hogy felvázoljuk az ideális erősítő fő jellemzőit. Ezek kifejezetten az alábbiakban kifejtettek:

Az ideális erősítő erősítésének (A) állandónak kell lennie, a változó bemeneti jeltől függetlenül.

1. Az erősítés a bemeneti jel frekvenciájától függetlenül állandó marad, ezáltal a kimeneti erősítés változatlan marad.
2. Az erősítő kimenete semmilyen zajtól mentes az erősítési folyamat során, éppen ellenkezőleg, tartalmaz egy zajcsökkentő funkciót, amely megszünteti a bemeneti forráson keresztül bevezetett esetleges zajokat.
3. A környezeti hőmérséklet vagy a légköri hőmérséklet változása nem befolyásolja.
4. A hosszú idejű használat minimális mértékben vagy egyáltalán nem befolyásolja az erősítő teljesítményét, és következetes marad.

Elektronikus erősítő osztályozása

Legyen szó feszültségerősítőről vagy teljesítményerősítőről, ezeket a bemeneti és kimeneti jel jellemzőik alapján osztályozzák. Ez úgy történik, hogy elemezzük az áram áramlását a bemeneti jeljel és a kimenet eléréséhez szükséges idő függvényében.

Áramköri konfigurációjuk alapján az erősítők ábécé sorrendbe sorolhatók. Különböző működési osztályokhoz vannak hozzárendelve, például:

A osztály'
„B” osztály
„C” osztály
„AB” osztály és így tovább.

Ezek tulajdonságai a szinte lineáris kimeneti választól, de meglehetősen alacsony hatékonyságtól a nem lineáris kimeneti válaszig terjedhetnek, nagy hatásfokkal.

Az erősítők ezen osztályainak egyike sem különböztethető meg gyengébbnek vagy jobbnak, mint egymás, mivel a követelményektől függően mindegyiknek megvan a maga sajátos alkalmazási területe.

Ezek mindegyikéhez optimális konverziós hatékonyságot találhat, és népszerűségüket a következő sorrendben lehet azonosítani:

„A” osztályú erősítők: A hatékonyság alacsonyabb, jellemzően kevesebb, mint 40%, de javított lineáris jelkimenetet mutathat.

„B” osztályú erősítők: A hatékonysági ráta kétszerese lehet, az A osztályé, gyakorlatilag 70% körüli, mivel csak az erősítő aktív eszközei fogyasztják az energiát, ami csak 50% -os energiafelhasználást eredményez.

AB osztályú erősítők: Az ebbe a kategóriába tartozó erősítők hatékonysági szintje valahol az A és a B osztály között van, de a jel reprodukciója gyengébb az A osztályhoz képest.

„C” osztályú erősítők: Ezeket az energiafogyasztás szempontjából kiemelkedően hatékonynak tekintik, de a jel reprodukciója a legrosszabb, sok torzítással, ami a bemeneti jel jellemzőinek nagyon rossz replikációját okozza.

Hogyan működnek az A osztályú erősítők:

Az A osztályú erősítők ideálisan előfeszített tranzisztorokkal rendelkeznek az aktív régión belül, ami lehetővé teszi a bemeneti jel pontos erősítését a kimeneten.

Ennek a tökéletes torzító tulajdonságnak köszönhetően a tranzisztor soha nem hagyhatja, hogy elvágódjon a levágott vagy túltelítettségi tartományai felé, ami azt eredményezi, hogy a jelerősítést helyesen optimalizálják és a jel meghatározott felső és alsó korlátja közé helyezik, amint az az alábbiakban látható. kép:

Az A osztályú konfigurációban azonos tranzisztorkészleteket alkalmaznak a kimeneti hullámforma két felén. És attól függően, hogy milyen torzítást alkalmaz, a kimenő teljesítmény tranzisztorok mindig bekapcsolt állapotban jelennek meg, függetlenül attól, hogy a bemeneti jelet alkalmazzák-e vagy sem.

Emiatt az A osztályú erősítők az energiafogyasztás szempontjából rendkívül gyenge hatékonysággal bírnak, mivel a tényleges teljesítmény leadása a kimenetbe akadályozható az eszköz szétszóródása által okozott túlzott pazarlás miatt.

A fentiekben kifejtett helyzetben az osztályerősítők láthatók, hogy bemeneti jel hiányában mindig túlmelegedett kimenő teljesítményű tranzisztorokkal rendelkeznek.

Még akkor is, ha nincs bemeneti jel, a tápegység DC-je (Ic) átengedhető az áramtranzisztorokon, ez egyenlő lehet a hangszórón átáramló árammal, amikor bemeneti jel volt jelen. Ez folyamatos „forró” tranzisztort és energiapazarlást eredményez.

B osztályú erősítő működése

Ellentétben az A osztályú erősítő konfigurációval, amely egy teljesítményű tranzisztortól függ, a B osztály pár kiegészítő BJT-t használ az áramkör mindkét felében. Ezek lehetnek NPN / PNP vagy N-csatornás mosfet / P-csatornás mosfet formájában).

Itt az egyik tranzisztor engedi, hogy a bemeneti jel egyik félalakjának ciklusára válaszul végezzen, míg a másik tranzisztor kezeli a hullámforma másik fél ciklusát.

Ez biztosítja, hogy a párban lévő tranzisztorok az idő felét az aktív régión belül és az idő felét a levágási régióban vezessék, ezáltal csak 50% -os részvételt engedélyezve a jel erősítésében.

Ellentétben az A osztályú erősítőkkel, a B osztályú erősítőkben a teljesítménytranzisztorok nincsenek előfeszítve közvetlen egyenárammal, ehelyett a konfiguráció biztosítja, hogy csak akkor vezessenek, amikor a bemeneti jel magasabbra megy, mint az alap emitter feszültsége, ami 0,6 V körüli lehet a szilícium BJT-k esetében.

Ez azt jelenti, hogy ha nincs bemeneti jel, a BJT-k kikapcsolva maradnak, és a kimeneti áram nulla. Emiatt a bemeneti jelnek csak 50% -a engedhető be a kimenetbe bármikor, ami sokkal jobb hatékonyságot tesz lehetővé ezeknek az erősítőknek. Az eredmény a következő ábrán látható:

Mivel a B osztályú erősítőkben nincs közvetlen DC közreműködés a teljesítménytranzisztorok előfeszítésében, annak érdekében, hogy a vezetést a fél +/- hullámalakú ciklusokra reagálva kezdeményezzük, elengedhetetlenné válik a bázisuk / emitterük számára Vbe 0,6 V-nál nagyobb potenciál megszerzéséhez (BJT-k standard alap torzítási értéke)

A fenti tény miatt ez azt jelenti, hogy míg a kimeneti hullámforma a 0,6 V-jel alatt van, nem erősíthető és reprodukálható.

Ez torzult területet eredményez a kimeneti hullámforma számára, éppen abban az időszakban, amikor az egyik BJT kikapcsol, és várja a másik visszakapcsolását.

Ez azt eredményezi, hogy a hullámforma egy kis szakasza kisebb torzulásnak van kitéve a keresztezés során vagy a nulla keresztezéshez közeli átmeneti időszakban, pontosan akkor, amikor az egyik tranzisztorról a másikra váltás komplementer párokon keresztül történik.

AB osztályú erősítő működése

Az AB osztályú erősítő az A és a B osztályú áramköri kiviteli alakok f keverékének felhasználásával épül fel, ezért az AB osztály neve.

Bár az AB osztályú tervezés pár kiegészítő BJT-vel is működik, a kimeneti fokozat biztosítja, hogy a BJT teljesítményének előfeszítését a bemeneti jel hiányában a határérték közelében tartják.

Ebben a helyzetben, amint egy bemeneti jelet érzékelnek, a tranzisztorok neginjei aktívan működnek az aktív régiójukban, így gátolják a keresztirányú torzítás lehetőségét, ami általában a B osztályú konfigurációkban jellemző. A BJT-kben azonban kis mennyiségű kollektoráram vezethet, az összeg elhanyagolhatónak tekinthető az A osztályú tervekhez képest.

Az AB osztályú erősítők sokkal jobb hatékonysági rátát és lineáris választ mutatnak, szemben az A osztályú megfelelővel.

AB osztályú erősítő kimeneti hullámformája

Az erősítő osztály fontos paraméter, amely attól függ, hogy a tranzisztorok hogyan torzulnak át a bemeneti jel amplitúdóján keresztül az erősítési folyamat megvalósításához.

Ez arra támaszkodik, hogy a bemeneti jel hullámformájának mekkora részét használják fel a tranzisztorok vezetésére, valamint a hatékonysági tényezőre, amelyet a kimenet leadására ténylegesen felhasznált és / vagy a disszipáció során elpazarolt teljesítmény mennyisége határoz meg.

Ezen tényezők tekintetében végül elkészíthetünk egy összehasonlító jelentést, amely bemutatja az erősítők különböző osztályai közötti különbségeket, amint az a következő táblázatban szerepel.

Ezután összehasonlíthatjuk az erősítő osztályozásának leggyakoribb típusait az alábbi táblázatban.

Teljesítményerősítő osztályok

Végső gondolatok

Ha az erősítő nincs megfelelően megtervezve, például egy A osztályú erősítő kialakítása, akkor a hűtőventilátorokkal együtt jelentős hűtést igényelhet a műveletekhez. Az ilyen kialakításokhoz nagyobb áramforrásra is szükség lesz, hogy kompenzálják a hőbe pazarolt hatalmas mennyiségű energiát. Minden ilyen hátrány az efféle erősítőket nagyon hatékonnyá teheti, ami viszont az eszközök fokozatos romlását és végül hibákat okozhat.

Ezért ajánlatos olyan B osztályú erősítőt választani, amelyet nagyobb hatékonysággal, körülbelül 70% -kal terveztek, szemben az A osztályú erősítő 40% -ával. Azt mondta, hogy az A osztályú erősítő lineárisabb választ ígérhet erősítésével és szélesebb frekvencia-válaszával, bár ez jelentős energiapazarlás árával jár.