Elektroonilised võimendid tööstuselektroonikas

Need on seadmed, mis on ette nähtud elektrisignaali pinge, voolu ja võimsuse võimendamiseks.

Lihtsaim võimendi on transistori ahel. Võimendite kasutamine on tingitud asjaolust, et tavaliselt on elektroonikaseadmetesse sisenevad elektrilised signaalid (pinged ja voolud) väikese amplituudiga ja neid on vaja suurendada vajaliku väärtuseni, mis on piisav edasiseks kasutamiseks (teisendamine, edastamine, koormuse toide ).

Joonisel 1 on näidatud võimendi tööks vajalikud seadmed.

Joonis 1 – Võimendi keskkond

Võimendi laadimisel vabanev võimsus on selle toiteallika teisendatud võimsus ja sisendsignaal ainult juhib seda. Võimendid saavad toite alalisvooluallikatest.

Tavaliselt koosneb võimendi mitmest võimendusastmest (joonis 2). Võimendi esimesi etappe, mis on mõeldud peamiselt signaali pinge võimendamiseks, nimetatakse eelvõimenditeks. Nende ahelad määratakse sisendsignaali allika tüübi järgi.

Signaali võimsuse võimendamiseks kasutatavat etappi nimetatakse terminaliks või väljundiks.Nende skeem määratakse koormuse tüübi järgi. Samuti võib võimendi sisaldada vaheastmeid, mis on kavandatud vajaliku võimenduse saamiseks ja (või) võimendatud signaali vajalike karakteristikute moodustamiseks.

Joonis 2 – Võimendi struktuur

Võimendi klassifikatsioon:

1) sõltuvalt võimendatud parameetrist, pingest, voolust, võimsusvõimenditest

2) võimendatud signaalide olemuse järgi:

• harmooniliste (pidevate) signaalide võimendid;

• impulsssignaali võimendid (digitaalvõimendid).

3) võimendatud sageduste vahemikus:

• alalisvoolu võimendid;

• Vahelduvvoolu võimendid

• madal sagedus, kõrge, ülikõrge jne.

4) sageduskarakteristiku iseloomu järgi:

• resonants (võimendada signaale kitsas sagedusribas);

• ribapääs (võimendab teatud sagedusriba);

• lairiba (võimendab kogu sagedusvahemikku).

5) tugevduselementide tüübi järgi:

• elektrilised vaakumlambid;

• pooljuhtseadmetel;

• integraallülitustel.

Võimendi valimisel väljuge võimendi parameetritest:

• väljundvõimsus mõõdetuna vattides. Väljundvõimsus varieerub suuresti olenevalt võimendi otstarbest, näiteks helivõimendites — millivattidest kõrvaklappides kuni kümnete ja sadade vattideni helisüsteemides.

• Sagedusvahemik, mõõdetuna hertsides. Näiteks peaks sama helivõimendi tavaliselt tagama võimenduse sagedusvahemikus 20–20 000 Hz ja telesignaali võimendi (pilt + heli) - 20 Hz - 10 MHz ja rohkem.

• Mittelineaarne moonutus, mõõdetuna protsentides%. See iseloomustab võimendatud signaali kujumoonutusi. Üldiselt, mida madalam on antud parameeter, seda parem.

• Tõhusust (efektiivsuse suhet) mõõdetakse protsentides.Näitab, kui palju toiteallika võimsust kulub toite hajutamiseks koormusse. Fakt on see, et osa allika võimsusest läheb raisku, suuremal määral on need soojuskaod - voolu vool põhjustab alati materjali kuumenemist. See parameeter on eriti oluline omatoitel (akudest ja patareidest) seadmete puhul.

Joonis 3 näitab tüüpilist bipolaarse transistori eelvõimendi vooluringi. Sisendsignaal tuleb pingeallikast Uin. Blokeerimiskondensaatorid Cp1 ja Cp2 läbivad muutuja st. võimendatud signaali ja ei läbi alalisvoolu, mis võimaldab luua alalisvoolu sõltumatuid töörežiime järjestikku ühendatud võimendi astmetes.

Joonis 3 – bipolaarse transistori võimendi astme skeem

Takistid Rb1 ja Rb2 on põhijagurid, mis annavad käivitusvoolu transistori Ib0 alusele, takisti Rk annab käivitusvoolu kollektorile Ik0. Neid voolusid nimetatakse laminaarseteks vooludeks. Sisendsignaali puudumisel on need konstantsed. Joonisel 4 on kujutatud võimendi ajastusskeeme. Ajagraafik on parameetri muutus ajas.

Takisti Re annab negatiivse voolu tagasiside (NF). Tagasiside (OC) on väljundsignaali osa ülekandmine võimendi sisendahelasse. Kui sisendsignaal ja tagasiside signaal on faasis vastandlikud, siis öeldakse, et tagasiside on negatiivne. OOS vähendab võimendust, kuid samal ajal vähendab harmoonilisi moonutusi ja suurendab võimendi stabiilsust. Seda kasutatakse peaaegu kõigis võimendites.

Takisti Rf ja kondensaator Cf on filtrielemendid.Kondensaator Cf moodustab madala takistusega ahela võimendi poolt allikast Up tarbitava voolu muutuva komponendi jaoks. Filtreerimiselemendid on vajalikud, kui allikast toidetakse mitut võimendiallikat.

Kui rakendatakse sisendsignaali Uin, ilmub sisendahelasse vool Ib ~ ja väljundisse Ik ~. Võimendatud väljundsignaaliks on pingelang, mille tekitab voolu Ik ~ koormuse Rn kaudu.

Pingete ja voolude ajutistelt diagrammidelt (joonis 3) on näha, et pingete muutuvkomponendid sisendis Ub ~ ja väljundis Uc ~ = U kaskaadist on antifaasilised, s.o. OE transistori võimendusaste muudab (inverteerib) sisendsignaali faasi vastupidises suunas.

Joonis 4 – Bipolaarse transistori võimendi astme voolude ja pingete ajastusskeemid

Operatsioonivõimendi (OU) on suure võimenduse ja sügava negatiivse tagasisidega alalis-/vahelduvvõimendi.

See võimaldab rakendada suurt hulka elektroonikaseadmeid, kuid traditsiooniliselt nimetatakse seda võimendiks.

Võime öelda, et operatiivvõimendid on kogu analoogelektroonika selgroog. Operatsioonivõimendite laialdane kasutamine on seotud nende paindlikkusega (võimalus ehitada nende baasil mitmesuguseid elektroonilisi seadmeid, nii analoog- kui ka impulss-), laia sagedusvahemikuga (alalis- ja vahelduvvoolu signaalide võimendamine), peamiste parameetrite sõltumatusega välisest destabiliseerimisest. tegurid (temperatuuri muutus, toitepinge jne). Peamiselt kasutatakse integreeritud võimendeid (IOU).

Sõna "operatiivne" olemasolu nimes on seletatav võimalusega, et need võimendid suudavad sooritada mitmeid matemaatilisi tehteid – liitmist, lahutamist, diferentseerimist, integreerimist jne.

Joonisel 5 on kujutatud UGO IEE.Võimendil on kaks sisendit - edasi ja tagasi ning üks väljund. Kui sisendsignaal suunatakse mitteinverteerivale (otsele) sisendile, on väljundsignaalil sama polaarsus (faas) — joonis 5, a.

Joonis 5 – Operatsioonivõimendite tavapärased graafilised tähised

Inverteeriva sisendi kasutamisel nihutatakse väljundsignaali faasi 180 ° võrra sisendsignaali faasi suhtes (polaarsus on vastupidine) — joonis 6, b. Vastupidised sisendid ja väljundid on ümbritsetud ringiga.

Joonis 6 – operatsioonivõimendi ajadiagrammid: a) – mitteinverteeriv, b) – inverteeriv

Kui tapeedile rakendatakse pinget, on väljundpinge võrdeline sisendpingete erinevusega. Need. inverteeriv sisendsignaal võetakse vastu «-« märgiga. Uout = K (Uneinv — Uinv), kus K on võimendus.

Joonis 7 – operatsioonivõimendi amplituudikarakteristik

Op-amp saab toite bipolaarsest allikast, tavaliselt +15V ja -15V. Lubatud on ka unipolaarne toide. Ülejäänud IOU järeldused on näidatud nii, nagu neid kasutatakse.

Operatsioonivõimendi tööd seletatakse amplituudikarakteristikuga - joonis 8. Karakteristikul saab eristada lineaarset sektsiooni, milles väljundpinge kasvab proportsionaalselt sisendpinge suurenemisega, ja kaks küllastussektsiooni U + istus ja U- laup. Teatud sisendpinge väärtusel Uin.max lülitub võimendi küllastusrežiimi, kus väljundpinge omandab maksimumväärtuse (väärtusel Up = 15 V, ligikaudu Uns = 13 V) ja jääb muutumatuks järgmisega. sisendsignaali suurenemine. Küllastusrežiimi kasutatakse operatiivvõimenditel põhinevates impulssseadmetes.

Võimsusvõimendeid kasutatakse võimenduse lõppfaasis ja need on mõeldud vajaliku võimsuse loomiseks koormuses.

Nende peamine omadus on töötamine kõrge sisendsignaali taseme ja suure väljundvooluga, mis nõuab võimsate võimendite kasutamist.

Võimendid võivad töötada režiimides A, AB, B, C ja D.

Režiimis A on võimendiseadme (transistor või elektrooniline toru) väljundvool avatud kogu võimendatud signaali perioodi (st pidevalt) ja väljundvool voolab seda läbi. A-klassi võimsusvõimendid tekitavad võimendatud signaali minimaalseid moonutusi, kuid neil on väga madal efektiivsus.

Režiimis B jagatakse väljundvool kaheks osaks, üks võimendi võimendab signaali positiivset poollainet, teine ​​negatiivset. Tulemuseks suurem kasutegur kui režiimil A, aga ka transistoride ümberlülitamise hetkel tekkivad suured mittelineaarsed moonutused.

AB-režiim kordab B-režiimi, kuid ühelt poollainelt teisele ülemineku hetkel on mõlemad transistorid avatud, mis võimaldab moonutusi vähendada, säilitades samal ajal kõrge efektiivsuse. AB-režiim on analoogvõimendite puhul kõige levinum.

Režiimi C kasutatakse juhtudel, kui võimendusel ei esine lainekuju moonutusi, kuna võimendi väljundvool voolab alla poole perioodi, mis loomulikult toob kaasa suuri moonutusi.

D-režiim kasutab sisendsignaalide teisendamist impulssideks, nende impulsside võimendamist ja seejärel tagasi teisendamist.Sel juhul töötavad väljundtransistorid võtmerežiimis (transistor on täielikult suletud või täielikult avatud), mis toob võimendi efektiivsuse lähemale 100% -le (AV-režiimis ei ületa efektiivsus 50%). D-režiimis töötavaid võimendeid nimetatakse digitaalvõimenditeks.

Tõmbeahelas toimub võimendamine (režiimid B ja AB) kahe taktitsükliga. Esimesel pooltsüklil sisendsignaali võimendab üks transistor ja teine ​​on selle poolperioodi või selle osa jooksul suletud. Teisel pooltsüklil võimendab signaali teine ​​transistor, samal ajal kui esimene on välja lülitatud.

Transistorvõimendi liuglülitus on näidatud joonisel 8. Transistori aste VT3 annab tõuke väljundtransistoridele VT1 ja VT2. Takistid R1 ja R2 määravad transistoride konstantse töörežiimi.

Negatiivse poollaine Uin saabumisel suureneb kollektori vool VT3, mis toob kaasa pinge tõusu transistoride VT1 ja VT2 alustes. Sel juhul VT2 sulgub ja läbi VT1 läbib kollektori vool ahelat: + Üles, üleminek K-E VT1, C2 (laadimise ajal), Rn, korpus.

Positiivse poollaine saabumisel sulgub Uin VT3, mis toob kaasa pinge languse transistoride VT1 ja VT2 alustes — VT1 sulgub ja läbi VT2 liigub vooluringi kaudu kollektorivool: + C2, üleminek EK VT2 , juhtum, Rn, -C2 . T

See tagab sisendpinge mõlema poollaine voolu läbi koormuse.

Joonis 8 – Võimsusvõimendi skeem

Režiimis D töötavad võimendid koos impulsi laiuse modulatsioon (PWM)… Sisendsignaal moduleerub ristkülikukujulised impulsidmuutes nende kestust.Sel juhul muundatakse signaal sama amplituudiga ristkülikukujulisteks impulssideks, mille kestus on võrdeline signaali väärtusega mis tahes ajahetkel.

Impulssijada juhitakse võimendamiseks transistori(te)le. Kuna võimendatud signaal on impulss, töötab transistor võtmerežiimis. Klahvirežiimis töötamine on seotud minimaalsete kadudega, kuna transistor on kas suletud või täielikult avatud (minimaalse takistusega). Pärast võimendamist eraldatakse madalsageduslik komponent (võimendatud algsignaal) signaalist madalpääsfiltri abil ( LPF) ja söödetakse koormale.

Joonis 9 – D-klassi võimendi plokkskeem

D-klassi võimendeid kasutatakse sülearvutite helisüsteemides, mobiilsides, mootori juhtimisseadmetes ja mujal.

Kaasaegseid võimendeid iseloomustab integraallülituste laialdane kasutamine.