Elektroniset vahvistimet teollisuuselektroniikassa

Nämä ovat laitteita, jotka on suunniteltu vahvistamaan sähköisen signaalin jännitettä, virtaa ja tehoa.

Yksinkertaisin vahvistin on transistoripiiri. Vahvistimien käyttö johtuu siitä, että yleensä elektronisiin laitteisiin tulevat sähköiset signaalit (jännitteet ja virrat) ovat amplitudiltaan pieniä ja ne on tarpeen nostaa tarpeelliseen arvoon, joka riittää jatkokäyttöön (muunnos, siirto, kuorman syöttö ).

Kuvassa 1 on esitetty vahvistimen käyttöön tarvittavat laitteet.

Kuva 1 — Vahvistinympäristö

Vahvistimen kuormituksen yhteydessä vapautuva teho on sen virtalähteen muunnettua tehoa ja tulosignaali vain ohjaa sitä. Vahvistimet saavat virran tasavirtalähteistä.

Yleensä vahvistin koostuu useista vahvistusasteista (kuva 2). Vahvistuksen ensimmäisiä vaiheita, jotka on suunniteltu pääasiassa vahvistamaan signaalijännitettä, kutsutaan esivahvistimiksi. Niiden piirit määräytyvät tulosignaalilähteen tyypin mukaan.

Tasoa, joka vahvistaa signaalin tehoa, kutsutaan terminaaliksi tai ulostuloksi.Niiden kaavio määräytyy kuorman tyypin mukaan. Vahvistimessa voi myös olla väliasteita, jotka on suunniteltu saamaan tarvittava vahvistus ja (tai) muodostamaan vahvistetun signaalin tarvittavat ominaisuudet.

Kuva 2 — Vahvistimen rakenne

Vahvistimen luokitus:

1) riippuen vahvistetusta parametrista, jännitteestä, virrasta, tehovahvistimista

2) vahvistettujen signaalien luonteen mukaan:

• harmonisten (jatkuvien) signaalien vahvistimet;

• pulssisignaalivahvistimet (digitaaliset vahvistimet).

3) vahvistettujen taajuuksien alueella:

• DC-vahvistimet;

• AC-vahvistimet

• matala taajuus, korkea, ultrakorkea jne.

4) taajuusvasteen luonteen mukaan:

• resonanssi (vahvistaa signaaleja kapealla taajuuskaistalla);

• kaistanpäästö (vahvistaa tietyn taajuuskaistan);

• laajakaista (vahvistaa koko taajuusalueen).

5) vahvistuselementtien tyypin mukaan:

• sähköinen tyhjiö lamput;

• puolijohdelaitteisiin;

• integroiduilla piireillä.

Kun valitset vahvistimen, poistu vahvistimen parametreista:

• lähtöteho watteina mitattuna. Lähtöteho vaihtelee suuresti riippuen vahvistimen käyttötarkoituksesta, esimerkiksi äänenvahvistimissa – kuulokkeiden milliwateista äänijärjestelmien kymmeniin ja satoihin watteihin.

• Taajuusalue, mitattuna hertseinä. Esimerkiksi saman äänivahvistimen tulisi yleensä tarjota vahvistus taajuusalueella 20–20 000 Hz ja televisiosignaalivahvistimen (kuva + ääni) - 20 Hz - 10 MHz ja enemmän.

• Epälineaarinen vääristymä, mitattuna prosentteina. Se luonnehtii vahvistetun signaalin muotovääristymää. Yleensä mitä pienempi tietty parametri, sitä parempi.

• Tehokkuus (hyötysuhde) mitataan prosentteina.Näyttää, kuinka paljon virtalähteestä tulevaa tehoa käytetään virran ohjaamiseen kuormaan. Tosiasia on, että osa lähteen tehosta menee hukkaan, suurelta osin nämä ovat lämpöhäviöitä - virran virtaus aiheuttaa aina materiaalin kuumenemisen. Tämä parametri on erityisen tärkeä omatehoisille laitteille (akuista ja paristoista).

Kuva 3 esittää tyypillistä bipolaaritransistorin esivahvistinpiiriä. Tulosignaali tulee jännitelähteestä Uin. Sulkukondensaattorit Cp1 ja Cp2 ohittavat muuttujan eli. vahvistetun signaalin ja eivät läpäise tasavirtaa, mikä mahdollistaa itsenäisten toimintatilojen luomisen tasavirralle sarjakytketyissä vahvistinportaissa.

Kuva 3 – Kaavio bipolaaritransistorin vahvistinasteesta

Vastukset Rb1 ja Rb2 ovat pääjakaja, jotka antavat käynnistysvirran transistorin Ib0 kannalle, vastus Rk antaa käynnistysvirran kollektorille Ik0. Näitä virtoja kutsutaan laminaarivirroiksi. Tulosignaalin puuttuessa ne ovat vakioita. Kuva 4 esittää vahvistimen ajoituskaavioita. Aikakaavio on parametrin muutos ajan myötä.

Vastus Re antaa negatiivisen virran takaisinkytkennän (NF). Feedback (OC) on osan lähtösignaalista siirtoa vahvistimen tulopiiriin. Jos tulosignaalin ja takaisinkytkentäsignaalin vaiheet ovat vastakkaiset, takaisinkytkennän sanotaan olevan negatiivinen. OOS vähentää vahvistusta, mutta samalla vähentää harmonista säröä ja lisää vahvistimen vakautta. Sitä käytetään lähes kaikissa vahvistimissa.

Vastus Rf ja kondensaattori Cf ovat suodatinelementtejä.Kondensaattori Cf muodostaa matalaresistanssipiirin vahvistimen lähteestä Up kuluttaman virran muuttuvalle komponentille. Suodatuselementit ovat välttämättömiä, jos lähteestä syötetään useita vahvistinlähteitä.

Kun syötetään tulosignaali Uin, virta Ib ~ näkyy tulopiirissä ja lähdössä Ik ~. Virran Ik ~ kuorman Rn kautta luoma jännitehäviö on vahvistettu lähtösignaali.

Väliaikaisista jännitteiden ja virtojen kaavioista (kuva 3) voidaan nähdä, että kaskadin tulon Ub ~ ja ulostulon Uc ~ = U jännitteiden muuttuvat komponentit ovat vastavaiheisia, ts. OE-transistorin vahvistusaste muuttaa (invertoi) tulosignaalin vaihetta vastakkaiseen suuntaan.

Kuva 4 — Bipolaaritransistorin vahvistinvaiheen virtojen ja jännitteiden ajoituskaaviot

Operaatiovahvistin (OU) on DC/AC-vahvistin, jolla on suuri vahvistus ja syvä negatiivinen takaisinkytkentä.

Se mahdollistaa useiden elektronisten laitteiden toteuttamisen, mutta sitä kutsutaan perinteisesti vahvistimeksi.

Voimme sanoa, että operaatiovahvistimet ovat kaiken analogisen elektroniikan selkäranka. Operaatiovahvistimien laaja käyttö liittyy niiden joustavuuteen (kyky rakentaa niiden pohjalle erilaisia ​​elektronisia laitteita, sekä analogisia että pulssitoimisia), laajaan taajuusalueeseen (DC- ja AC-signaalien vahvistus), pääparametrien riippumattomuuteen ulkoisesta epävakauttamisesta. tekijät (lämpötilan muutos, syöttöjännite jne.). Integroituja vahvistimia (IOU) käytetään pääasiassa.

Sanan "toiminnallinen" esiintyminen nimessä selittyy mahdollisuudella, että nämä vahvistimet voivat suorittaa useita matemaattisia operaatioita - yhteen-, vähennys-, differentiointi-, integrointi- jne.

Kuva 5 esittää UGO IEE:tä.Vahvistimessa on kaksi tuloa - eteenpäin ja taaksepäin sekä yksi lähtö. Kun tulosignaali syötetään ei-invertoivaan (suoraan) tuloon, lähtösignaalilla on sama polariteetti (vaihe) — Kuva 5, a.

Kuva 5 – Operaatiovahvistimien tavanomaiset graafiset merkinnät

Käytettäessä invertoivaa tuloa lähtösignaalin vaihe siirtyy 180° suhteessa tulosignaalin vaiheeseen (napaisuus käänteinen) — Kuva 6, b. Käänteiset tulot ja lähdöt on ympyröity.

Kuva 6 – Operaatiovahvistimen aikakaaviot: a) – ei-invertoiva, b) – invertoiva

Kun taustakuvaan syötetään jännite, lähtöjännite on verrannollinen tulojännitteiden eroon. Nämä. invertoiva tulosignaali hyväksytään «-«-merkillä. Uout = K (Uneinv — Uinv), missä K on vahvistus.

Kuva 7 – Operaatiovahvistimen amplitudikäyrä

Operaatiovahvistin saa virtansa bipolaarisesta lähteestä, yleensä +15V ja -15V. Myös yksinapainen virtalähde on sallittu. Loput IOU:n johtopäätökset on ilmoitettu, kun niitä käytetään.

Op-vahvistimen toiminta selittyy amplitudikäyrällä - Kuva 8. Ominaisuudesta voidaan erottaa lineaarinen osa, jossa lähtöjännite kasvaa suhteessa tulojännitteen kasvamiseen, sekä kaksi kyllästymisjaksoa U + la ja U-la. Tietyllä tulojännitteen Uin.max arvolla vahvistin siirtyy kyllästystilaan, jossa lähtöjännite saa maksimiarvon (arvolla Up = 15 V, noin Uns = 13 V) ja pysyy muuttumattomana. tulosignaalin kasvu. Kyllästystilaa käytetään operaatiovahvistimiin perustuvissa pulssilaitteissa.

Tehovahvistimia käytetään vahvistuksen loppuvaiheessa ja ne on suunniteltu luomaan tarvittava teho kuormaan.

Niiden pääominaisuus on toiminta korkeilla tulosignaalitasoilla ja suurilla lähtövirroilla, mikä edellyttää tehokkaiden vahvistimien käyttöä.

Vahvistimet voivat toimia A-, AB-, B-, C- ja D-tiloissa.

Moodissa A vahvistinlaitteen (transistori tai elektroniputki) lähtövirta on auki koko vahvistetun signaalin ajan (eli jatkuvasti) ja lähtövirta kulkee sen läpi. A-luokan tehovahvistimet aiheuttavat minimaalisen vääristymän vahvistettuun signaaliin, mutta niillä on erittäin alhainen hyötysuhde.

B-moodissa lähtövirta on jaettu kahteen osaan, joista toinen vahvistaa signaalin positiivista puoliaaltoa, toinen negatiivista. Tuloksena suurempi hyötysuhde kuin tilassa A, mutta myös suuria epälineaarisia vääristymiä, joita esiintyy transistorien kytkentähetkellä.

AB-moodi toistaa B-moodin, mutta puoliaallosta toiseen siirtymisen hetkellä molemmat transistorit ovat auki, mikä mahdollistaa vääristymien vähentämisen säilyttäen samalla korkean hyötysuhteen. AB-tila on yleisin analogisissa vahvistimissa.

Modea C käytetään tapauksissa, joissa aaltomuodossa ei ole vääristymiä vahvistuksen aikana, koska vahvistimen lähtövirta kulkee alle puolen jakson, mikä tietysti johtaa suuriin vääristymiin.

D-tilassa tulosignaalit muunnetaan pulsseiksi, vahvistetaan pulsseja ja muunnetaan sitten takaisin.Tässä tapauksessa lähtötransistorit toimivat avaintilassa (transistori on täysin suljettu tai täysin auki), mikä tuo vahvistimen hyötysuhteen lähemmäs 100% (AV-tilassa hyötysuhde ei ylitä 50%). D-tilassa toimivia vahvistimia kutsutaan digitaalisiksi vahvistimiksi.

Push-pull-piirissä vahvistus (moodit B ja AB) tapahtuu kahdessa kellojaksossa. Ensimmäisen puolijakson aikana tulosignaalia vahvistetaan yhdellä transistorilla ja toinen suljetaan tämän puolijakson tai sen osan aikana. Toisessa puolijaksossa signaali vahvistetaan toisella transistorilla, kun taas ensimmäinen on kytketty pois päältä.

Transistorivahvistimen liukupiiri on esitetty kuvassa 8. Transistoriaste VT3 antaa työntösyötön lähtötransistoreille VT1 ja VT2. Vastukset R1 ja R2 asettavat transistorien vakiotoimintatavan.

Negatiivisen puoliaallon Uin saapuessa kollektorivirta VT3 kasvaa, mikä johtaa jännitteen nousuun transistorien VT1 ja VT2 kannaksissa. Tässä tapauksessa VT2 sulkeutuu ja VT1:n kautta kollektorivirta kulkee piirin läpi: + Ylös, siirtymä K-E VT1, C2 (latauksen aikana), Rn, kotelo.

Kun positiivinen puoliaalto saapuu, Uin VT3 sulkeutuu, mikä johtaa jännitteen laskuun transistorien VT1 ja VT2 kannassa — VT1 sulkeutuu, ja VT2:n kautta kollektorivirta kulkee piirin läpi: + C2, siirtymä EK VT2 , tapaus, Rn, -C2. T

Tämä varmistaa, että tulojännitteen molempien puoliaaltojen virta kulkee kuorman läpi.

Kuva 8 – Kaavio tehovahvistimesta

D-tilassa vahvistimet toimivat pulssinleveysmodulaatio (PWM)… Tulosignaali moduloituu suorakaiteen muotoisia pulssejamuuttamalla niiden kestoa.Tällöin signaali muunnetaan saman amplitudin suorakaiteen muotoisiksi pulsseiksi, joiden kesto on verrannollinen signaalin arvoon millä tahansa ajanhetkellä.

Pulssijono syötetään transistoreille vahvistusta varten. Koska vahvistettu signaali on pulssi, transistori toimii avaintilassa. Näppäintilassa toimintaan liittyy minimaalisia häviöitä, koska transistori on joko suljettu tai täysin auki (sillä on minimaalinen vastus). Vahvistuksen jälkeen matalataajuinen komponentti (vahvistettu alkuperäinen signaali) erotetaan signaalista alipäästösuodattimen avulla ( LPF) ja syötetään kuormaan.

Kuva 9 – Lohkokaavio D-luokan vahvistimesta

D-luokan vahvistimia käytetään kannettavien äänijärjestelmissä, matkaviestinnässä, moottorin ohjauslaitteissa ja muissa.

Nykyaikaisille vahvistimille on ominaista integroitujen piirien laaja käyttö.