Amplificadors electrònics en electrònica industrial

Són dispositius dissenyats per amplificar la tensió, el corrent i la potència d'un senyal elèctric.

L'amplificador més senzill és un circuit de transistors. L'ús d'amplificadors es deu al fet que normalment els senyals elèctrics (tensions i corrents) que entren als dispositius electrònics són de poca amplitud i cal augmentar-los fins al valor necessari suficient per a un ús posterior (conversió, transmissió, subministrament d'alimentació a la càrrega). ).

La figura 1 mostra els dispositius necessaris per fer funcionar l'amplificador.

Figura 1 — Entorn de l'amplificador

La potència alliberada quan es carrega l'amplificador és la potència convertida de la seva font d'alimentació i el senyal d'entrada només la condueix. Els amplificadors s'alimenten amb fonts de corrent continu.

Normalment, l'amplificador consta de diverses etapes d'amplificació (Fig. 2). Les primeres etapes d'amplificació, dissenyades principalment per amplificar la tensió del senyal, s'anomenen preamplificadors. Els seus circuits estan determinats pel tipus de font de senyal d'entrada.

L'etapa que serveix per amplificar la potència del senyal s'anomena terminal o sortida.El seu esquema està determinat pel tipus de càrrega. A més, l'amplificador pot incloure etapes intermèdies dissenyades per obtenir l'amplificació necessària i (o) per formar les característiques necessàries del senyal amplificat.

Figura 2 — Estructura de l'amplificador

Classificació de l'amplificador:

1) depenent del paràmetre amplificat, tensió, corrent, amplificadors de potència

2) per la naturalesa dels senyals amplificats:

• amplificadors de senyals harmònics (continus);

• amplificadors de senyal de pols (amplificadors digitals).

3) en el rang de freqüències amplificades:

• amplificadors de corrent continu;

• Amplificadors de CA

• baixa freqüència, alta, ultra alta, etc.

4) per la naturalesa de la resposta de freqüència:

• ressonant (amplificar senyals en una banda de freqüència estreta);

• passabanda (amplifica una determinada banda de freqüència);

• banda ampla (amplifica tot el rang de freqüències).

5) per tipus d'elements de reforç:

• de llums elèctriques de buit;

• en dispositius semiconductors;

• sobre circuits integrats.

Quan seleccioneu un amplificador, sortiu dels paràmetres de l'amplificador:

• potència de sortida mesurada en watts. La potència de sortida varia molt segons la finalitat de l'amplificador, per exemple en els amplificadors de so, des de mil·liwatts als auriculars fins a desenes i centenars de watts als sistemes d'àudio.

• Interval de freqüència, mesurat en hertz. Per exemple, el mateix amplificador d'àudio normalment hauria de proporcionar guany en el rang de freqüències 20-20.000 Hz, i un amplificador de senyal de televisió (imatge + so) - 20 Hz - 10 MHz i superior.

• Distorsió no lineal, mesurada en percentatge%. Caracteritza la distorsió de la forma del senyal amplificat. En general, com més baix sigui un paràmetre determinat, millor.

• L'eficiència (ràtio d'eficiència) es mesura en percentatge%.Mostra quanta potència de la font d'alimentació s'està utilitzant per dissipar energia a la càrrega. El fet és que part de la potència de la font es malgasta, en major mesura es tracta de pèrdues de calor: el flux de corrent sempre provoca l'escalfament del material. Aquest paràmetre és especialment important per als dispositius autoalimentats (des d'acumuladors i bateries).

La figura 3 mostra un circuit de preamplificador de transistor bipolar típic. El senyal d'entrada prové d'una font de tensió Uin.Els condensadors de bloqueig Cp1 i Cp2 passen la variable és a dir. senyal amplificat i no passa corrent continu, cosa que permet crear modes de funcionament independents per a corrent continu en etapes d'amplificador connectades en sèrie.

Figura 3 — Esquema de l'etapa amplificadora d'un transistor bipolar

Les resistències Rb1 i Rb2 són el divisor principal que proporciona el corrent d'arrencada a la base del transistor Ib0, la resistència Rk proporciona el corrent d'arrencada al col·lector Ik0. Aquests corrents s'anomenen corrents laminars. En absència de senyal d'entrada, són constants. La figura 4 mostra els diagrames de temps de l'amplificador. Un diagrama de temps és un canvi en un paràmetre al llarg del temps.

La resistència Re proporciona retroalimentació de corrent negativa (NF). La retroalimentació (OC) és la transferència d'una part del senyal de sortida al circuit d'entrada de l'amplificador. Si el senyal d'entrada i el senyal de retroalimentació són oposats en fase, es diu que la retroalimentació és negativa. OOS redueix el guany, però al mateix temps redueix la distorsió harmònica i augmenta l'estabilitat de l'amplificador. S'utilitza en gairebé tots els amplificadors.

La resistència Rf i el condensador Cf són elements filtrants.El condensador Cf forma un circuit de baixa resistència per al component variable del corrent consumit per l'amplificador des de la font Up. Els elements filtrants són necessaris si s'alimenten diverses fonts amplificadores des de la font.

Quan s'aplica un senyal d'entrada Uin, el corrent Ib ~ apareix al circuit d'entrada, i a la sortida Ik ~. La caiguda de tensió creada pel corrent Ik ~ a través de la càrrega Rn serà el senyal de sortida amplificat.

A partir dels diagrames temporals de tensions i corrents (Fig. 3) es pot veure que les components variables de les tensions a l'entrada Ub ~ i la sortida Uc ~ = Uout de la cascada són antifàsiques, és a dir. l'etapa de guany del transistor OE canvia (inverteix) la fase del senyal d'entrada en sentit contrari.

Figura 4 — Diagrames de temps de corrents i voltatges a l'etapa d'amplificador d'un transistor bipolar

Un amplificador operacional (OU) és un amplificador de corrent continu/ca amb gran guany i retroalimentació negativa profunda.

Permet la implementació d'un gran nombre de dispositius electrònics, però tradicionalment s'anomena amplificador.

Podem dir que els amplificadors operacionals són la columna vertebral de tota l'electrònica analògica. L'ampli ús d'amplificadors operacionals està associat a la seva flexibilitat (la capacitat de construir diversos dispositius electrònics sobre la seva base, tant analògics com polsats), un ampli rang de freqüències (amplificació de senyals DC i AC), la independència dels principals paràmetres de desestabilització externa. factors (canvi de temperatura, tensió d'alimentació, etc.). S'utilitzen principalment amplificadors integrats (IOU).

La presència de la paraula "operacional" al nom s'explica per la possibilitat que aquests amplificadors puguin realitzar una sèrie d'operacions matemàtiques: suma, resta, diferenciació, integració, etc.

La figura 5 mostra l'IEE UGO.L'amplificador té dues entrades: endavant i inversa i una sortida. Quan el senyal d'entrada s'aplica a una entrada (directa) no inversora, el senyal de sortida té la mateixa polaritat (fase) — Figura 5, a.

Figura 5 — Designacions gràfiques convencionals dels amplificadors operacionals

Quan s'utilitza l'entrada inversora, la fase del senyal de sortida es desplaçarà 180 ° en relació amb la fase del senyal d'entrada (polaritat invertida) — Figura 6, b. Les entrades i sortides inverses estan encerclades.

Figura 6 — Diagrames de temps de l'amplificador operatiu: a) — no inversor, b) — inversor

Quan s'aplica una tensió al fons de pantalla, la tensió de sortida és proporcional a la diferència entre les tensions d'entrada. Aquests. el senyal d'entrada inversor s'accepta amb un signe «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), on K és el guany.

Figura 7 — Característica d'amplitud de l'amplificador operatiu

L'amplificador operatiu està alimentat per una font bipolar, normalment +15 V i -15 V. També es permet una font d'alimentació unipolar. La resta de conclusions de la IOU s'indiquen a mesura que s'utilitzen.

El funcionament de l'amplificador operatiu s'explica per la característica d'amplitud - Figura 8. A la característica, es pot distingir una secció lineal, en la qual la tensió de sortida augmenta proporcionalment amb un augment de la tensió d'entrada i dues seccions de saturació U + sat i U- sat. A un determinat valor de la tensió d'entrada Uin.max, l'amplificador entra en mode de saturació, en el qual la tensió de sortida assumeix un valor màxim (a un valor de Up = 15 V, aproximadament Uns = 13 V) i es manté sense canvis amb un altre valor. augment del senyal d'entrada. El mode de saturació s'utilitza en dispositius de polsos basats en amplificadors operacionals.

Els amplificadors de potència s'utilitzen en les etapes finals de l'amplificació i estan dissenyats per crear la potència necessària a la càrrega.

La seva característica principal és el funcionament a alts nivells de senyal d'entrada i alts corrents de sortida, que requereix l'ús d'amplificadors potents.

Els amplificadors poden funcionar en els modes A, AB, B, C i D.

En el mode A, el corrent de sortida del dispositiu amplificador (transistor o tub electrònic) està obert durant tot el període del senyal amplificat (és a dir, constantment) i el corrent de sortida flueix a través d'ell. Els amplificadors de potència de classe A introdueixen una distorsió mínima en el senyal amplificat, però tenen una eficiència molt baixa.

En el mode B, el corrent de sortida es divideix en dues parts, un amplificador amplifica la mitja ona positiva del senyal, la segona negativa. Com a resultat, una eficiència més alta que en el mode A, però també grans distorsions no lineals que es produeixen en el moment de canviar els transistors.

El mode AB repeteix el mode B, però en el moment de la transició d'una mitja ona a l'altra, tots dos transistors estan oberts, cosa que permet reduir les distorsions mantenint una alta eficiència. El mode AB és el més comú per als amplificadors analògics.

El mode C s'utilitza en els casos en què no hi ha distorsió de la forma d'ona durant l'amplificació, perquè el corrent de sortida de l'amplificador flueix durant menys de mig període, cosa que, per descomptat, provoca grans distorsions.

El mode D utilitza la conversió de senyals d'entrada en polsos, amplificar aquests polsos i després tornar-los a convertir.En aquest cas, els transistors de sortida funcionen en mode clau (el transistor està totalment tancat o completament obert), cosa que apropa l'eficiència de l'amplificador al 100% (en mode AV, l'eficiència no supera el 50%). Els amplificadors que funcionen en mode D s'anomenen amplificadors digitals.

En un circuit push-pull, l'amplificació (modes B i AB) es produeix en dos cicles de rellotge. Durant el primer mig cicle, el senyal d'entrada és amplificat per un transistor i l'altre es tanca durant aquest mig cicle o part d'aquest. En el segon mig cicle, el senyal s'amplifica pel segon transistor mentre que el primer s'apaga.

El circuit lliscant de l'amplificador de transistors es mostra a la figura 8. L'etapa de transistors VT3 proporciona una empenta als transistors de sortida VT1 i VT2. Les resistències R1 i R2 estableixen el mode de funcionament constant dels transistors.

Amb l'arribada d'una Uin de mitja ona negativa, augmenta el corrent del col·lector VT3, la qual cosa comporta un augment de la tensió a les bases dels transistors VT1 i VT2. En aquest cas, VT2 es tanca i per VT1 el corrent del col·lector passa pel circuit: + Amunt, transició K-E VT1, C2 (durant la càrrega), Rn, cas.

Quan arriba una mitja ona positiva, Uin VT3 es tanca, la qual cosa comporta una disminució de la tensió a les bases dels transistors VT1 i VT2 — VT1 es tanca, i a través de VT2 el corrent del col·lector flueix pel circuit: + C2, transició EK VT2 , cas, Rn, -C2. T

Això garanteix que el corrent de les dues mitges ones de la tensió d'entrada flueixi a través de la càrrega.

Figura 8 — Esquema d'un amplificador de potència

En el mode D, els amplificadors funcionen amb modulació d'amplada de pols (PWM)… El senyal d'entrada es modula polsos rectangularsmodificant-ne la durada.En aquest cas, el senyal es converteix en polsos rectangulars de la mateixa amplitud, la durada dels quals és proporcional al valor del senyal en qualsevol moment del temps.

El tren de polsos s'alimenta al transistor (s) per a l'amplificació. Com que el senyal amplificat és polsat, el transistor funciona en mode clau. El funcionament en mode clau s'associa amb pèrdues mínimes, ja que el transistor està tancat o totalment obert (té una resistència mínima). Després de l'amplificació, el component de baixa freqüència (senyal original amplificat) s'extreu del senyal mitjançant un filtre de pas baix ( LPF) i alimentat a la càrrega.

Figura 9 — Diagrama de blocs d'un amplificador de classe D

Els amplificadors de classe D s'utilitzen en sistemes d'àudio portàtils, comunicacions mòbils, dispositius de control de motors i molt més.

Els amplificadors moderns es caracteritzen per l'ús generalitzat de circuits integrats.