Elektronische Verstärker in der Industrieelektronik

Hierbei handelt es sich um Geräte zur Verstärkung der Spannung, des Stroms und der Leistung eines elektrischen Signals.

Der einfachste Verstärker ist eine Transistorschaltung. Der Einsatz von Verstärkern ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass elektrische Signale (Spannungen und Ströme), die in elektronische Geräte gelangen, normalerweise eine kleine Amplitude haben und es notwendig ist, sie auf den erforderlichen Wert zu erhöhen, der für die weitere Verwendung (Umwandlung, Übertragung, Stromversorgung der Last) ausreicht ).

Abbildung 1 zeigt die zum Betrieb des Verstärkers erforderlichen Geräte.

Abbildung 1 – Verstärkerumgebung

Die bei Belastung des Verstärkers abgegebene Leistung ist die umgewandelte Leistung seines Netzteils und das Eingangssignal treibt ihn nur an. Die Verstärker werden von Gleichstromquellen gespeist.

Normalerweise besteht der Verstärker aus mehreren Verstärkungsstufen (Abb. 2). Die ersten Verstärkungsstufen, die hauptsächlich zur Verstärkung der Signalspannung dienen, werden Vorverstärker genannt. Ihre Schaltungen werden durch die Art der Eingangssignalquelle bestimmt.

Die Stufe, die zur Verstärkung der Signalleistung dient, wird als Anschluss oder Ausgang bezeichnet.Ihr Schema wird durch die Art der Belastung bestimmt. Außerdem kann der Verstärker Zwischenstufen enthalten, die dazu dienen, die erforderliche Verstärkung zu erzielen und (oder) die erforderlichen Eigenschaften des verstärkten Signals zu bilden.

Abbildung 2 – Verstärkerstruktur

Verstärkerklassifizierung:

1) abhängig vom verstärkten Parameter, Spannung, Strom, Leistungsverstärker

2) durch die Art der verstärkten Signale:

• Verstärker für harmonische (kontinuierliche) Signale;

• Impulssignalverstärker (Digitalverstärker).

3) im Bereich verstärkter Frequenzen:

• Gleichstromverstärker;

• AC-Verstärker

• niedrige Frequenz, hoch, ultrahoch usw.

4) durch die Art des Frequenzgangs:

• resonant (Signale in einem schmalen Frequenzband verstärken);

• Bandpass (verstärkt ein bestimmtes Frequenzband);

• Breitband (verstärkt den gesamten Frequenzbereich).

5) nach Art der Verstärkungselemente:

• von elektrischen Vakuumlampen;

• auf Halbleiterbauelementen;

• auf integrierten Schaltkreisen.

Wenn Sie einen Verstärker auswählen, verlassen Sie die Verstärkerparameter:

• Ausgangsleistung gemessen in Watt. Die Ausgangsleistung variiert stark je nach Verwendungszweck des Verstärkers, beispielsweise bei Tonverstärkern – von Milliwatt bei Kopfhörern bis zu mehreren zehn und Hunderten Watt bei Audiosystemen.

• Frequenzbereich, gemessen in Hertz. Beispielsweise sollte derselbe Audioverstärker normalerweise eine Verstärkung im Frequenzbereich von 20–20.000 Hz liefern, und ein Fernsehsignalverstärker (Bild + Ton) – 20 Hz – 10 MHz und höher.

• Nichtlineare Verzerrung, gemessen in Prozent %. Es charakterisiert die Formverzerrung des verstärkten Signals. Im Allgemeinen gilt: Je niedriger ein bestimmter Parameter, desto besser.

• Der Wirkungsgrad (Wirkungsgrad) wird in Prozent % gemessen.Zeigt an, wie viel Strom vom Netzteil verwendet wird, um Strom an die Last abzuleiten. Tatsache ist, dass ein Teil der Energie der Quelle verschwendet wird, in größerem Maße handelt es sich dabei um Wärmeverluste – der Stromfluss führt immer zu einer Erwärmung des Materials. Dieser Parameter ist besonders wichtig für Geräte mit eigener Stromversorgung (aus Akkus und Batterien).

Abbildung 3 zeigt eine typische Bipolartransistor-Vorverstärkerschaltung. Das Eingangssignal kommt von einer Spannungsquelle Uin. Die Blockkondensatoren Cp1 und Cp2 geben die Variable i weiter. verstärktes Signal und lassen keinen Gleichstrom durch, was es ermöglicht, unabhängige Betriebsarten für Gleichstrom in in Reihe geschalteten Verstärkerstufen zu schaffen.

Abbildung 3 – Diagramm der Verstärkerstufe eines Bipolartransistors

Die Widerstände Rb1 und Rb2 sind der Hauptteiler und liefern den Startstrom an die Basis des Transistors Ib0, der Widerstand Rk liefert den Startstrom an den Kollektor Ik0. Diese Ströme werden laminare Strömungen genannt. Liegt kein Eingangssignal an, sind sie konstant. Abbildung 4 zeigt die Zeitdiagramme des Verstärkers. Ein Zeitdiagramm ist eine Änderung eines Parameters über die Zeit.

Der Widerstand Re sorgt für eine negative Stromrückkopplung (NF). Feedback (OC) ist die Übertragung eines Teils des Ausgangssignals an den Eingangskreis des Verstärkers. Wenn das Eingangssignal und das Rückkopplungssignal eine entgegengesetzte Phase haben, spricht man von einer negativen Rückkopplung. OOS reduziert die Verstärkung, reduziert aber gleichzeitig die harmonische Verzerrung und erhöht die Verstärkerstabilität. Es wird in fast allen Verstärkern verwendet.

Widerstand Rf und Kondensator Cf sind Filterelemente.Der Kondensator Cf bildet einen Kreis mit niedrigem Widerstand für die variable Komponente des Stroms, den der Verstärker von der Quelle Up verbraucht. Filterelemente sind erforderlich, wenn mehrere Verstärkerquellen von der Quelle gespeist werden.

Bei Anlegen eines Eingangssignals Uin erscheint im Eingangskreis der Strom Ib ~ und am Ausgang Ik ~. Der durch den Strom Ik ~ durch die Last Rn erzeugte Spannungsabfall ist das verstärkte Ausgangssignal.

Aus den temporären Diagrammen der Spannungen und Ströme (Abb. 3) ist ersichtlich, dass die variablen Anteile der Spannungen am Eingang Ub ~ und am Ausgang Uc ~ = Uout der Kaskade gegenphasig sind, d. h. Die Verstärkungsstufe des OE-Transistors ändert (invertiert) die Phase des Eingangssignals in die entgegengesetzte Richtung.

Abbildung 4 – Zeitdiagramme von Strömen und Spannungen in der Verstärkerstufe eines Bipolartransistors

Ein Operationsverstärker (OU) ist ein DC/AC-Verstärker mit hoher Verstärkung und starker Gegenkopplung.

Er ermöglicht die Implementierung einer großen Anzahl elektronischer Geräte, wird jedoch traditionell als Verstärker bezeichnet.

Wir können sagen, dass Operationsverstärker das Rückgrat aller analogen Elektronik sind. Der breite Einsatz von Operationsverstärkern ist mit ihrer Flexibilität (der Fähigkeit, auf ihrer Basis verschiedene elektronische Geräte zu bauen, sowohl analog als auch gepulst), einem breiten Frequenzbereich (Verstärkung von Gleich- und Wechselstromsignalen) und der Unabhängigkeit der Hauptparameter von externen Destabilisierungen verbunden Faktoren (Temperaturänderung, Versorgungsspannung usw.). Hauptsächlich werden integrierte Verstärker (IOUs) verwendet.

Das Vorhandensein des Wortes „operational“ im Namen erklärt sich aus der Möglichkeit, dass diese Verstärker eine Reihe mathematischer Operationen ausführen können – Addition, Subtraktion, Differentiation, Integration usw.

Abbildung 5 zeigt das UGO IEE.Der Verstärker verfügt über zwei Eingänge – vorwärts und rückwärts – und einen Ausgang. Wenn das Eingangssignal an einen nicht invertierenden (direkten) Eingang angelegt wird, hat das Ausgangssignal die gleiche Polarität (Phase) – Abbildung 5, a.

Abbildung 5 – Konventionelle grafische Bezeichnungen von Operationsverstärkern

Bei Verwendung des invertierenden Eingangs wird die Phase des Ausgangssignals um 180 ° relativ zur Phase des Eingangssignals verschoben (Polarität umgekehrt) – Abbildung 6, b. Reverse-Eingänge und -Ausgänge sind eingekreist.

Abbildung 6 – Zeitdiagramme des Operationsverstärkers: a) – nicht invertierend, b) – invertierend

Wenn eine Spannung an die Tapete angelegt wird, ist die Ausgangsspannung proportional zur Differenz zwischen den Eingangsspannungen. Diese. Das invertierende Eingangssignal wird mit einem „-“-Zeichen akzeptiert. Uout = K (Uneinv – Uinv), wobei K der Gewinn ist.

Abbildung 7 – Amplitudencharakteristik des Operationsverstärkers

Der Operationsverstärker wird von einer bipolaren Quelle gespeist, normalerweise +15 V und -15 V. Eine unipolare Stromversorgung ist ebenfalls zulässig. Die übrigen IOU-Schlussfolgerungen werden bei ihrer Verwendung angegeben.

Die Funktionsweise des Operationsverstärkers wird durch die Amplitudenkennlinie erklärt – Abbildung 8. Auf der Kennlinie lässt sich ein linearer Abschnitt unterscheiden, in dem die Ausgangsspannung proportional mit zunehmender Eingangsspannung ansteigt, und zwei Abschnitte der Sättigung U + saß und U- saß. Bei einem bestimmten Wert der Eingangsspannung Uin.max geht der Verstärker in den Sättigungsmodus, in dem die Ausgangsspannung einen Maximalwert annimmt (bei einem Wert von Up = 15 V, etwa Uns = 13 V) und bei einem weiteren Wert unverändert bleibt Erhöhung des Eingangssignals. Der Sättigungsmodus wird in Impulsgeräten verwendet, die auf Operationsverstärkern basieren.

Leistungsverstärker werden in den Endstufen der Verstärkung eingesetzt und sollen die erforderliche Leistung in der Last erzeugen.

Ihr Hauptmerkmal ist der Betrieb bei hohen Eingangssignalpegeln und hohen Ausgangsströmen, was den Einsatz leistungsstarker Verstärker erforderlich macht.

Verstärker können in den Modi A, AB, B, C und D betrieben werden.

Im Modus A ist der Ausgangsstrom des Verstärkergeräts (Transistor oder elektronische Röhre) für die gesamte Periode des verstärkten Signals (also konstant) offen und der Ausgangsstrom fließt durch es. Leistungsverstärker der Klasse A verursachen minimale Verzerrungen im verstärkten Signal, haben aber einen sehr geringen Wirkungsgrad.

Im Modus B wird der Ausgangsstrom in zwei Teile geteilt, ein Verstärker verstärkt die positive Halbwelle des Signals, der zweite die negative. Dadurch höhere Effizienz als im Modus A, aber auch große nichtlineare Verzerrungen beim Schalten der Transistoren.

Der AB-Modus wiederholt den B-Modus, aber beim Übergang von einer Halbwelle zur anderen sind beide Transistoren geöffnet, wodurch Verzerrungen reduziert und gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten werden kann. Der AB-Modus ist bei analogen Verstärkern am gebräuchlichsten.

Modus C wird in Fällen verwendet, in denen es während der Verstärkung zu keiner Verzerrung der Wellenform kommt, da der Ausgangsstrom des Verstärkers weniger als eine halbe Periode lang fließt, was natürlich zu großen Verzerrungen führt.

Der D-Modus wandelt Eingangssignale in Impulse um, verstärkt diese Impulse und wandelt sie dann wieder zurück.In diesem Fall arbeiten die Ausgangstransistoren im Tastenmodus (der Transistor ist vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet), wodurch der Wirkungsgrad des Verstärkers näher an 100 % herankommt (im AV-Modus überschreitet der Wirkungsgrad 50 % nicht). Verstärker, die im D-Modus arbeiten, werden als digitale Verstärker bezeichnet.

In einer Gegentaktschaltung erfolgt die Verstärkung (Modus B und AB) in zwei Taktzyklen. Während der ersten Halbwelle wird das Eingangssignal von einem Transistor verstärkt und der andere ist während dieser Halbwelle oder eines Teils davon geschlossen. In der zweiten Halbwelle wird das Signal durch den zweiten Transistor verstärkt, während der erste ausgeschaltet ist.

Die Schiebeschaltung des Transistorverstärkers ist in Abbildung 8 dargestellt. Die Transistorstufe VT3 liefert einen Stoß an die Ausgangstransistoren VT1 und VT2. Die Widerstände R1 und R2 stellen die konstante Betriebsart der Transistoren ein.

Mit dem Eintreffen einer negativen Halbwelle Uin steigt der Kollektorstrom VT3, was zu einem Anstieg der Spannung an den Basen der Transistoren VT1 und VT2 führt. In diesem Fall schließt VT2 und durch VT1 fließt der Kollektorstrom durch den Stromkreis: + Up, Übergang K-E VT1, C2 (während des Ladevorgangs), Rn, Fall.

Wenn eine positive Halbwelle eintrifft, schließt Uin VT3, was zu einem Abfall der Spannung an den Basen der Transistoren VT1 und VT2 führt – VT1 schließt und durch VT2 fließt der Kollektorstrom durch den Stromkreis: + C2, Übergang EK VT2 , Fall, Rn, -C2 . T

Dadurch wird sichergestellt, dass der Strom beider Halbwellen der Eingangsspannung durch die Last fließt.

Abbildung 8 – Schema eines Leistungsverstärkers

Im Modus D arbeiten die Verstärker mit Pulsweitenmodulation (PWM)… Das Eingangssignal moduliert Rechteckimpulsedurch Änderung ihrer Dauer.Dabei wird das Signal in Rechteckimpulse gleicher Amplitude umgewandelt, deren Dauer proportional zum Wert des Signals zu jedem Zeitpunkt ist.

Die Impulsfolge wird dem bzw. den Transistoren zur Verstärkung zugeführt. Da das verstärkte Signal gepulst ist, arbeitet der Transistor im Tastmodus. Der Betrieb im Tastenmodus ist mit minimalen Verlusten verbunden, da der Transistor entweder geschlossen oder vollständig geöffnet (minimaler Widerstand) ist. Nach der Verstärkung wird der niederfrequente Anteil (verstärktes Originalsignal) mithilfe eines Tiefpassfilters aus dem Signal extrahiert ( LPF) und der Last zugeführt.

Abbildung 9 – Blockdiagramm eines Klasse-D-Verstärkers

Verstärker der Klasse D werden in Laptop-Audiosystemen, Mobilkommunikation, Motorsteuergeräten und mehr verwendet.

Moderne Verstärker zeichnen sich durch den weit verbreiteten Einsatz integrierter Schaltkreise aus.