Elektronische versterkers in industriële elektronica

Dit zijn apparaten die zijn ontworpen om de spanning, stroom en kracht van een elektrisch signaal te versterken.

De eenvoudigste versterker is een transistorschakeling. Het gebruik van versterkers is te wijten aan het feit dat elektrische signalen (spanningen en stromen) die elektronische apparaten binnenkomen meestal een kleine amplitude hebben en dat het nodig is om ze te verhogen tot de noodzakelijke waarde die voldoende is voor verder gebruik (conversie, transmissie, voeding naar de belasting ).

Afbeelding 1 toont de apparaten die nodig zijn om de versterker te bedienen.

Figuur 1 — Versterkeromgeving

Het vermogen dat vrijkomt wanneer de versterker wordt belast, is het omgezette vermogen van zijn voeding en het ingangssignaal drijft deze alleen aan. De versterkers worden gevoed door gelijkstroombronnen.

Gewoonlijk bestaat de versterker uit meerdere versterkingstrappen (fig. 2). De eerste versterkertrappen, voornamelijk ontworpen om de signaalspanning te versterken, worden voorversterkers genoemd. Hun circuits worden bepaald door het type ingangssignaalbron.

De trap die dient om de kracht van het signaal te versterken, wordt de terminal of uitgang genoemd.Hun schema wordt bepaald door het type belasting. Ook kan de versterker tussentrappen bevatten die zijn ontworpen om de noodzakelijke versterking te verkrijgen en (of) om de noodzakelijke karakteristieken van het versterkte signaal te vormen.

Figuur 2 — Versterkerstructuur

Versterker classificatie:

1) afhankelijk van de versterkte parameter, spanning, stroom, eindversterkers

2) door de aard van de versterkte signalen:

• versterkers van harmonische (continue) signalen;

• pulssignaalversterkers (digitale versterkers).

3) in het bereik van versterkte frequenties:

• DC-versterkers;

• AC-versterkers

• lage frequentie, hoge, ultra hoge enz.

4) door de aard van de frequentierespons:

• resonant (versterk signalen in een smalle frequentieband);

• bandpass (versterkt een bepaalde frequentieband);

• breedband (versterkt het gehele frequentiebereik).

5) per type versterkende elementen:

• van elektrische vacuümlampen;

• op halfgeleiderapparaten;

• op geïntegreerde schakelingen.

Bij het selecteren van een versterker verlaat u de versterkerparameters:

• uitgangsvermogen gemeten in watt. Het uitgangsvermogen varieert sterk, afhankelijk van het doel van de versterker, bijvoorbeeld in geluidsversterkers - van milliwatt in hoofdtelefoons tot tientallen en honderden watt in audiosystemen.

• Frequentiebereik, gemeten in hertz. Dezelfde audioversterker zou bijvoorbeeld gewoonlijk versterking moeten bieden in het frequentiebereik 20–20.000 Hz, en een televisiesignaalversterker (beeld + geluid) — 20 Hz — 10 MHz en hoger.

• Niet-lineaire vervorming, gemeten in procent%. Het kenmerkt de vormvervorming van het versterkte signaal. Over het algemeen geldt: hoe lager een bepaalde parameter, hoe beter.

• Efficiëntie (efficiëntieverhouding) wordt gemeten in procent%.Toont hoeveel vermogen van de voeding wordt gebruikt om vermogen af ​​te voeren naar de belasting. Het feit is dat een deel van de kracht van de bron wordt verspild, in grotere mate zijn dit warmteverliezen - de stroomstroom veroorzaakt altijd opwarming van het materiaal. Deze parameter is vooral belangrijk voor apparaten met eigen voeding (van accu's en batterijen).

Afbeelding 3 toont een typisch bipolair transistorvoorversterkercircuit. Het ingangssignaal is afkomstig van een spanningsbron Uin.De blokkeercondensatoren Cp1 en Cp2 geven de variabele ie door. versterkt signaal en laten geen gelijkstroom door, wat het mogelijk maakt om onafhankelijke bedrijfsmodi voor gelijkstroom te creëren in in serie geschakelde versterkertrappen.

Figuur 3 — Schema van de versterkertrap van een bipolaire transistor

Weerstanden Rb1 en Rb2 zijn de hoofddeler die de startstroom levert aan de basis van de transistor Ib0, de weerstand Rk levert de startstroom aan de collector Ik0. Deze stromen worden laminaire stromen genoemd. Bij afwezigheid van een ingangssignaal zijn ze constant. Figuur 4 toont de timingdiagrammen van de versterker. Een tijdgrafiek is een verandering in een parameter in de tijd.

Weerstand Re levert negatieve stroomfeedback (NF). Feedback (OC) is de overdracht van een deel van het uitgangssignaal naar het ingangscircuit van de versterker. Als het ingangssignaal en het terugkoppelingssignaal tegengesteld in fase zijn, wordt de terugkoppeling negatief genoemd. OOS vermindert de versterking, maar vermindert tegelijkertijd de harmonische vervorming en verhoogt de stabiliteit van de versterker. Het wordt in bijna alle versterkers gebruikt.

Weerstand Rf en condensator Cf zijn filterelementen.De condensator Cf vormt een laagohmige schakeling voor de variabele component van de door de versterker opgenomen stroom vanaf de bron Up. Filterelementen zijn nodig als meerdere versterkerbronnen vanuit de bron worden gevoed.

Wanneer een ingangssignaal Uin wordt aangelegd, verschijnt de huidige Ib ~ in het ingangscircuit en in de uitgang Ik ~. De spanningsval veroorzaakt door de stroom Ik ~ door de belasting Rn zal het versterkte uitgangssignaal zijn.

Uit de tijdelijke diagrammen van spanningen en stromen (fig. 3) blijkt dat de variabele componenten van de spanningen aan de ingang Ub ~ en de uitgang Uc ~ = Uuit van de cascade tegenfase zijn, d.w.z. de versterkingstrap van de OE-transistor verandert (inverteert) de fase van het ingangssignaal in de tegenovergestelde richting.

Figuur 4 — Timingdiagrammen van stromen en spanningen in de versterkertrap van een bipolaire transistor

Een operationele versterker (OU) is een DC/AC-versterker met hoge versterking en diepe negatieve feedback.

Het maakt de implementatie van een groot aantal elektronische apparaten mogelijk, maar wordt traditioneel een versterker genoemd.

We kunnen zeggen dat operationele versterkers de ruggengraat vormen van alle analoge elektronica. Het brede gebruik van operationele versterkers wordt geassocieerd met hun flexibiliteit (de mogelijkheid om verschillende elektronische apparaten op hun basis te bouwen, zowel analoog als gepulseerd), een breed frequentiebereik (versterking van DC- en AC-signalen), onafhankelijkheid van de belangrijkste parameters van externe destabiliserende factoren (temperatuurverandering, voedingsspanning, enz.). Geïntegreerde versterkers (IOU's) worden voornamelijk gebruikt.

De aanwezigheid van het woord "operationeel" in de naam wordt verklaard door de mogelijkheid dat deze versterkers een aantal wiskundige bewerkingen kunnen uitvoeren - optellen, aftrekken, differentiëren, integreren, enz.

Figuur 5 toont de UGO IEE.De versterker heeft twee ingangen - vooruit en achteruit en één uitgang. Wanneer het ingangssignaal wordt toegepast op een niet-inverterende (directe) ingang, heeft het uitgangssignaal dezelfde polariteit (fase) — Afbeelding 5, a.

Figuur 5 — Conventionele grafische aanduidingen van operationele versterkers

Bij gebruik van de inverterende ingang wordt de fase van het uitgangssignaal 180 ° verschoven ten opzichte van de fase van het ingangssignaal (polariteit omgekeerd) — Afbeelding 6, b. Omgekeerde ingangen en uitgangen zijn omcirkeld.

Figuur 6 — Tijddiagrammen van de op-amp: a) — niet-inverterend, b) — inverterend

Wanneer een spanning op het behang wordt toegepast, is de uitgangsspanning evenredig met het verschil tussen de ingangsspanningen. Deze. het inverterende ingangssignaal wordt geaccepteerd met een «-« teken. Uout = K (Uneinv — Uinv), waarbij K de versterking is.

Figuur 7 — Amplitudekarakteristiek van de op-amp

De op-amp wordt gevoed door een bipolaire bron, meestal +15 V en -15 V. Een unipolaire voeding is ook toegestaan. De rest van de IOU-conclusies worden aangegeven zoals ze worden gebruikt.

De werking van de op-amp wordt verklaard door de amplitudekarakteristiek - figuur 8. Op de karakteristiek kan een lineair gedeelte worden onderscheiden, waarin de uitgangsspanning evenredig toeneemt met een toename van de ingangsspanning, en twee secties van verzadiging U + zat en U- zat. Bij een bepaalde waarde van de ingangsspanning Uin.max gaat de versterker in de verzadigingsmodus, waarbij de uitgangsspanning een maximale waarde aanneemt (bij een waarde van Up = 15 V, ongeveer Uns = 13 V) en ongewijzigd blijft bij een verdere verhoging van het ingangssignaal. De verzadigingsmodus wordt gebruikt in pulsapparaten op basis van operationele versterkers.

Eindversterkers worden gebruikt in de laatste stadia van versterking en zijn ontworpen om het vereiste vermogen in de belasting te creëren.

Hun belangrijkste kenmerk is de werking bij hoge ingangssignaalniveaus en hoge uitgangsstromen, wat het gebruik van krachtige versterkers noodzakelijk maakt.

Versterkers kunnen werken in A-, AB-, B-, C- en D-modi.

In modus A is de uitgangsstroom van het versterkerapparaat (transistor of elektronische buis) open gedurende de gehele periode van het versterkte signaal (dwz constant) en de uitgangsstroom vloeit er doorheen. Klasse A eindversterkers introduceren minimale vervorming in het versterkte signaal, maar hebben een zeer laag rendement.

In modus B wordt de uitgangsstroom in twee delen verdeeld, één versterker versterkt de positieve halve golf van het signaal, de tweede negatief. Hierdoor een hoger rendement dan in mode A, maar ook grote niet-lineaire vervormingen die optreden op het moment van schakelen van transistoren.

De AB-modus herhaalt de B-modus, maar op het moment van overgang van de ene halve golf naar de andere zijn beide transistors open, wat het mogelijk maakt om vervormingen te verminderen met behoud van een hoog rendement. AB-modus is de meest gebruikelijke voor analoge versterkers.

Mode C wordt gebruikt in gevallen waarin er geen vervorming van de golfvorm is tijdens versterking, omdat de uitgangsstroom van de versterker minder dan een halve periode stroomt, wat natuurlijk tot grote vervormingen leidt.

De D-modus maakt gebruik van het omzetten van ingangssignalen in pulsen, het versterken van die pulsen en het vervolgens weer omzetten ervan.In dit geval werken de uitgangstransistors in de sleutelmodus (de transistor is volledig gesloten of volledig open), waardoor de efficiëntie van de versterker dichter bij de 100% komt (in de AV-modus is de efficiëntie niet hoger dan 50%). Versterkers die in de D-modus werken, worden digitale versterkers genoemd.

In een push-pull-circuit vindt versterking (modus B en AB) plaats in twee klokcycli. Tijdens de eerste halve periode wordt het ingangssignaal versterkt door één transistor, en de andere wordt tijdens deze halve periode of een deel ervan gesloten. In de tweede halve cyclus wordt het signaal versterkt door de tweede transistor terwijl de eerste is uitgeschakeld.

Het glijdende circuit van de transistorversterker is weergegeven in figuur 8. De transistortrap VT3 geeft een impuls aan de uitgangstransistors VT1 en VT2. Weerstanden R1 en R2 stellen de constante werkingsmodus van de transistoren in.

Met de komst van een negatieve halve golf Uin neemt de collectorstroom VT3 toe, wat leidt tot een toename van de spanning aan de bases van transistoren VT1 en VT2. In dit geval sluit VT2 en door VT1 gaat de collectorstroom door het circuit: + Omhoog, overgang K-E VT1, C2 (tijdens opladen), Rn, geval.

Wanneer een positieve halve golf arriveert, sluit Uin VT3, wat leidt tot een afname van de spanning aan de basis van transistoren VT1 en VT2 - VT1 sluit, en door VT2 stroomt de collectorstroom door het circuit: + C2, overgang EK VT2 , geval, Rn, -C2 . T

Dit zorgt ervoor dat de stroom van beide halve golven van de ingangsspanning door de belasting vloeit.

Figuur 8 — Schema van een eindversterker

In modus D werken de versterkers met pulsbreedtemodulatie (PWM)… Het ingangssignaal moduleert rechthoekige pulsendoor hun duur te wijzigen.In dit geval wordt het signaal omgezet in rechthoekige pulsen met dezelfde amplitude, waarvan de duur evenredig is met de waarde van het signaal op elk moment.

De pulstrein wordt voor versterking naar de transistor(en) gevoerd. Omdat het versterkte signaal gepulst is, werkt de transistor in sleutelmode. Werking in sleutelmodus gaat gepaard met minimale verliezen, aangezien de transistor ofwel gesloten of volledig open is (heeft minimale weerstand) Na versterking wordt de laagfrequente component (versterkt origineel signaal) uit het signaal gehaald met behulp van een laagdoorlaatfilter ( LPF) en toegevoerd aan de lading.

Figuur 9 — Blokschema van een klasse D-versterker

Klasse D-versterkers worden gebruikt in laptopaudiosystemen, mobiele communicatie, motorbesturingsapparaten en meer.

Moderne versterkers worden gekenmerkt door het wijdverbreide gebruik van geïntegreerde schakelingen.