Penguat elektronik dalam elektronik industri

Ini adalah peranti yang direka untuk menguatkan voltan, arus dan kuasa isyarat elektrik.

Penguat paling mudah ialah litar transistor. Penggunaan penguat adalah disebabkan oleh fakta bahawa biasanya isyarat elektrik (voltan dan arus) yang memasuki peranti elektronik adalah amplitud yang kecil dan perlu untuk meningkatkannya kepada nilai yang diperlukan yang mencukupi untuk kegunaan selanjutnya (penukaran, penghantaran, bekalan kuasa kepada beban ).

Rajah 1 menunjukkan peranti yang diperlukan untuk mengendalikan penguat.

Rajah 1 — Persekitaran penguat

Kuasa yang dilepaskan apabila penguat dimuatkan ialah kuasa ditukar bekalan kuasanya dan isyarat input hanya memacunya. Penguat dikuasakan oleh sumber arus terus.

Biasanya, penguat terdiri daripada beberapa peringkat penguatan (Rajah 2). Peringkat pertama penguatan, direka terutamanya untuk menguatkan voltan isyarat, dipanggil preamplifier. Litar mereka ditentukan oleh jenis sumber isyarat input.

Peringkat yang berfungsi untuk menguatkan kuasa isyarat dipanggil terminal atau output.Skim mereka ditentukan oleh jenis beban. Juga, penguat mungkin termasuk peringkat perantaraan yang direka untuk mendapatkan penguatan yang diperlukan dan (atau) untuk membentuk ciri-ciri yang diperlukan bagi isyarat yang dikuatkan.

Rajah 2 — Struktur penguat

Klasifikasi Penguat:

1) bergantung pada parameter yang dikuatkan, voltan, arus, penguat kuasa

2) dengan sifat isyarat yang dikuatkan:

• penguat isyarat harmonik (berterusan);

• penguat isyarat nadi (penguat digital).

3) dalam julat frekuensi yang dikuatkan:

• Penguat DC;

• Penguat AC

• frekuensi rendah, tinggi, ultra tinggi dll.

4) mengikut sifat tindak balas frekuensi:

• resonan (menguatkan isyarat dalam jalur frekuensi sempit);

• laluan jalur (menguatkan jalur frekuensi tertentu);

• jalur lebar (menguatkan keseluruhan julat frekuensi).

5) mengikut jenis elemen pengukuhan:

• lampu vakum elektrik;

• pada peranti semikonduktor;

• pada litar bersepadu.

Apabila memilih penguat, keluar dari parameter penguat:

• kuasa keluaran diukur dalam watt. Kuasa keluaran berbeza-beza secara meluas bergantung pada tujuan penguat, contohnya dalam penguat bunyi — daripada miliwatt dalam fon kepala kepada puluhan dan ratusan watt dalam sistem audio.

• Julat kekerapan, diukur dalam hertz. Contohnya, penguat audio yang sama biasanya memberikan keuntungan dalam julat frekuensi 20–20,000 Hz, dan penguat isyarat televisyen (imej + bunyi) — 20 Hz — 10 MHz dan lebih tinggi.

• Herotan tak linear, diukur dalam peratus%. Ia mencirikan herotan bentuk isyarat yang dikuatkan. Secara amnya, lebih rendah parameter yang diberikan, lebih baik.

• Kecekapan (nisbah kecekapan) diukur dalam peratus%.Menunjukkan berapa banyak kuasa daripada bekalan kuasa sedang digunakan untuk menyalurkan kuasa ke dalam beban. Hakikatnya ialah sebahagian daripada kuasa sumber terbuang, pada tahap yang lebih besar ini adalah kehilangan haba - aliran arus sentiasa menyebabkan pemanasan bahan. Parameter ini amat penting untuk peranti berkuasa sendiri (daripada penumpuk dan bateri).

Rajah 3 menunjukkan litar praamp transistor bipolar biasa. Isyarat masukan datang daripada sumber voltan Uin. Kapasitor penyekat Cp1 dan Cp2 melepasi pembolehubah iaitu. isyarat dikuatkan dan tidak menghantar arus terus, yang memungkinkan untuk mencipta mod pengendalian bebas untuk arus terus dalam peringkat penguat bersambung siri.

Rajah 3 — Gambar rajah peringkat penguat transistor bipolar

Perintang Rb1 dan Rb2 adalah pembahagi utama yang menyediakan arus permulaan ke pangkalan transistor Ib0, perintang Rk menyediakan arus permulaan kepada pengumpul Ik0. Arus ini dipanggil arus laminar. Sekiranya tiada isyarat input, ia adalah malar. Rajah 4 menunjukkan gambar rajah pemasaan penguat. Plot masa ialah perubahan dalam parameter dari semasa ke semasa.

Resistor Re memberikan maklum balas arus negatif (NF). Maklum Balas (OC) ialah pemindahan sebahagian daripada isyarat keluaran ke litar input penguat. Jika isyarat input dan isyarat maklum balas bertentangan dalam fasa, maklum balas dikatakan negatif. OOS mengurangkan keuntungan, tetapi pada masa yang sama mengurangkan herotan harmonik dan meningkatkan kestabilan penguat. Ia digunakan dalam hampir semua penguat.

Perintang Rf dan kapasitor Cf ialah elemen penapis.Kapasitor Cf membentuk litar rintangan rendah untuk komponen pembolehubah arus yang digunakan oleh penguat dari sumber Atas. Elemen penapisan diperlukan jika beberapa sumber penguat disuap daripada sumber.

Apabila isyarat input Uin digunakan, arus Ib ~ muncul dalam litar input, dan dalam output Ik ~. Penurunan voltan yang dicipta oleh arus Ik ~ melalui beban Rn akan menjadi isyarat keluaran yang dikuatkan.

Daripada rajah sementara voltan dan arus (Rajah 3) dapat dilihat bahawa komponen pembolehubah voltan pada input Ub ~ dan output Uc ~ = Uout of the cascade adalah antifasa, i.e. peringkat perolehan transistor OE mengubah (menyongsangkan) fasa isyarat masukan ke arah yang bertentangan.

Rajah 4 — Gambar rajah pemasaan arus dan voltan dalam peringkat penguat transistor bipolar

Penguat kendalian (OU) ialah penguat DC/AC dengan perolehan tinggi dan maklum balas negatif mendalam.

Ia membenarkan pelaksanaan sejumlah besar peranti elektronik, tetapi secara tradisinya dipanggil penguat.

Kita boleh mengatakan bahawa penguat operasi adalah tulang belakang semua elektronik analog. Penggunaan meluas penguat operasi dikaitkan dengan fleksibiliti mereka (keupayaan untuk membina pelbagai peranti elektronik berdasarkan mereka, kedua-dua analog dan berdenyut), julat frekuensi yang luas (penguatan isyarat DC dan AC), kebebasan parameter utama daripada ketidakstabilan luaran faktor (perubahan suhu, voltan bekalan, dll.). Penguat bersepadu (IOU) digunakan terutamanya.

Kehadiran perkataan "operasi" dalam nama dijelaskan oleh kemungkinan bahawa penguat ini boleh melakukan beberapa operasi matematik - penambahan, penolakan, pembezaan, penyepaduan, dll.

Rajah 5 menunjukkan UGO IEE.Penguat mempunyai dua input — ke hadapan dan belakang dan satu output. Apabila isyarat input digunakan pada input bukan penyongsangan (langsung), isyarat keluaran mempunyai kekutuban (fasa) yang sama — Rajah 5, a.

Rajah 5 — Penamaan grafik konvensional bagi penguat operasi

Apabila menggunakan input penyongsangan, fasa isyarat keluaran akan dianjak sebanyak 180 ° berbanding fasa isyarat masukan (kekutuban terbalik) — Rajah 6, b. Input dan output terbalik dibulatkan.

Rajah 6 — Gambar rajah masa bagi op-amp: a) — bukan terbalik, b) — terbalik

Apabila voltan digunakan pada kertas dinding, voltan keluaran adalah berkadar dengan perbezaan antara voltan masukan. Ini. isyarat masukan penyongsangan diterima dengan tanda «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), dengan K ialah keuntungan.

Rajah 7 — Ciri amplitud bagi op-amp

Op-amp dikuasakan oleh sumber bipolar, biasanya +15V dan -15V. Bekalan kuasa unipolar juga dibenarkan. Selebihnya kesimpulan IOU ditunjukkan semasa ia digunakan.

Operasi op-amp dijelaskan oleh ciri amplitud - Rajah 8. Pada ciri, bahagian linear boleh dibezakan, di mana voltan keluaran meningkat secara berkadar dengan peningkatan voltan masukan, dan dua bahagian ketepuan U + duduk dan U- duduk. Pada nilai tertentu voltan input Uin.max, penguat masuk ke mod tepu, di mana voltan keluaran menganggap nilai maksimum (pada nilai Naik = 15 V, lebih kurang Uns = 13 V) dan kekal tidak berubah dengan lebihan peningkatan dalam isyarat input. Mod tepu digunakan dalam peranti nadi berdasarkan penguat operasi.

Penguat kuasa digunakan dalam peringkat akhir penguatan dan direka bentuk untuk mencipta kuasa yang diperlukan dalam beban.

Ciri utamanya ialah operasi pada tahap isyarat input tinggi dan arus keluaran tinggi, yang memerlukan penggunaan penguat berkuasa.

Penguat boleh beroperasi dalam mod A, AB, B, C dan D.

Dalam mod A, arus keluaran peranti penguat (transistor atau tiub elektronik) dibuka untuk keseluruhan tempoh isyarat yang dikuatkan (iaitu, sentiasa) dan arus keluaran mengalir melaluinya. Penguat kuasa Kelas A memperkenalkan herotan minimum ke dalam isyarat yang dikuatkan, tetapi mempunyai kecekapan yang sangat rendah.

Dalam mod B, arus keluaran dibahagikan kepada dua bahagian, satu penguat menguatkan separuh gelombang positif isyarat, negatif kedua. Akibatnya, kecekapan yang lebih tinggi daripada dalam mod A, tetapi juga herotan bukan linear yang besar berlaku pada saat transistor bertukar.

Mod AB mengulangi mod B, tetapi pada saat peralihan dari satu setengah gelombang ke yang lain, kedua-dua transistor terbuka, yang memungkinkan untuk mengurangkan herotan sambil mengekalkan kecekapan tinggi. Mod AB adalah yang paling biasa untuk penguat analog.

Mod C digunakan dalam kes di mana tiada herotan bentuk gelombang semasa penguatan, kerana arus keluaran penguat mengalir kurang daripada setengah tempoh, yang, tentu saja, membawa kepada herotan yang besar.

Mod D menggunakan menukar isyarat input kepada denyutan, menguatkan denyutan tersebut, dan kemudian menukarnya kembali.Dalam kes ini, transistor output berfungsi dalam mod utama (transistor ditutup sepenuhnya atau terbuka sepenuhnya), yang membawa kecekapan penguat lebih dekat kepada 100% (dalam mod AV, kecekapan tidak melebihi 50%). Penguat yang beroperasi dalam mod D dipanggil penguat digital.

Dalam litar tolak-tarik, penguatan (mod B dan AB) berlaku dalam dua kitaran jam. Semasa separuh kitaran pertama, isyarat input dikuatkan oleh satu transistor, dan satu lagi ditutup semasa separuh kitaran atau sebahagian daripadanya. Dalam separuh kitaran kedua, isyarat dikuatkan oleh transistor kedua manakala yang pertama dimatikan.

Litar gelongsor penguat transistor ditunjukkan dalam Rajah 8. Peringkat transistor VT3 memberikan tolakan kepada transistor keluaran VT1 dan VT2. Perintang R1 dan R2 menetapkan mod operasi malar transistor.

Dengan ketibaan Uin separuh gelombang negatif, arus pengumpul VT3 meningkat, yang membawa kepada peningkatan voltan di pangkalan transistor VT1 dan VT2. Dalam kes ini, VT2 ditutup dan melalui VT1 arus pengumpul melalui litar: + Atas, peralihan K-E VT1, C2 (semasa mengecas), Rn, kes.

Apabila gelombang separuh positif tiba, Uin VT3 ditutup, yang membawa kepada penurunan voltan pada asas transistor VT1 dan VT2 — VT1 ditutup, dan melalui VT2 arus pengumpul mengalir melalui litar: + C2, peralihan EK VT2 , kes, Rn, -C2 . T

Ini memastikan bahawa arus kedua-dua separuh gelombang voltan masukan mengalir melalui beban.

Rajah 8 — Skema penguat kuasa

Dalam mod D, penguat beroperasi dengan modulasi lebar nadi (PWM)… Isyarat input memodulasi denyutan segi empat tepatdengan menukar tempoh mereka.Dalam kes ini, isyarat ditukar kepada denyutan segi empat tepat amplitud yang sama, tempoh yang berkadar dengan nilai isyarat pada bila-bila masa.

Kereta api nadi disalurkan ke transistor untuk penguatan. Kerana isyarat yang diperkuatkan berdenyut, transistor beroperasi dalam mod kekunci. Operasi dalam mod kunci dikaitkan dengan kerugian yang minimum, kerana transistor sama ada tertutup atau terbuka sepenuhnya (mempunyai rintangan minimum). Selepas penguatan, komponen frekuensi rendah (isyarat asal diperkuat) diekstrak daripada isyarat menggunakan penapis laluan rendah ( LPF) dan disuap ke beban.

Rajah 9 — Gambar rajah blok penguat kelas D

Penguat Kelas D digunakan dalam sistem audio komputer riba, komunikasi mudah alih, peranti kawalan motor dan banyak lagi.

Penguat moden dicirikan oleh penggunaan litar bersepadu yang meluas.