Razumijevanje krugova pojačala

Općenito, pojačalo se može definirati kao sklop dizajniran za pojačavanje primijenjenog ulaznog signala male snage u izlazni signal velike snage, prema zadanom nazivu komponenata.

Iako osnovna funkcija ostaje ista, pojačala bi se mogla svrstati u različite kategorije ovisno o njihovom dizajnu i konfiguraciji.

Sklopovi za pojačavanje logičkih ulaza

Možda ste naišli na pojedinačna tranzistorska pojačala koja su konfigurirana za rad i pojačavanje logike slabog signala s ulaznih senzorskih uređaja poput LDR-ovi, fotodiode , IR uređaji. Izlaz iz ovih pojačala zatim se koristi za prebacivanje a japanka ili ON / OFF relej kao odgovor na signale senzorskih uređaja.

Možda ste vidjeli i mala pojačala koja se koriste za pretpojačanje glazbenog ili audio ulaza ili za upravljanje LED lampom.
Svi ovi mala pojačala kategorizirani su kao mala pojačala signala.

Vrste pojačala

Prvenstveno su ugrađeni krugovi pojačala za pojačavanje glazbene frekvencije tako da se napajani mali glazbeni ulaz pojačava u mnogo nabora, obično 100 puta do 1000 puta i reproducira preko zvučnika.

Ovisno o njihovoj snazi ​​ili snazi, takvi sklopovi mogu imati izvedbe koje se kreću od malih pojačavača na bazi opampa do velikih pojačala signala koja se nazivaju i pojačalima snage. Ova pojačala su tehnički klasificirana na temelju njihovih principa rada, stupnjeva kruga i načina na koji koji mogu biti konfigurirani za obradu funkcije pojačanja.

Sljedeća tablica daje nam detalje o klasifikaciji pojačala na temelju njihovih tehničkih specifikacija i principa rada:

U osnovnom dizajnu pojačala otkrivamo da ono uglavnom uključuje nekoliko stupnjeva koji imaju mreže bipolarnih tranzistora ili BJT-a, tranzistore s efektom polja (FET) ili operativna pojačala.

Takvi pojačalni blokovi ili moduli mogu se vidjeti s nekoliko terminala za napajanje ulaznog signala i još jednim parom terminala na izlazu za stjecanje pojačanog signala preko spojenog zvučnika.

Jedan od ova dva terminala je uzemljenja i mogao bi se vidjeti kao zajednički vod preko ulaznog i izlaznog stupnja.

Tri svojstva pojačala

Tri važna svojstva koja bi idealno pojačalo trebalo imati su:

• Ulazni otpor (Rin)
• Izlazni otpor (usmjeravanje)
• Dobitak (A) koji je opseg pojačanja pojačala.

Razumijevanje idealnog pojačala

Razlika u pojačanom signalu između izlaza i ulaza naziva se pojačanjem pojačala. To je veličina ili količina kojom pojačalo može pojačati ulazni signal na svojim izlaznim stezaljkama.

Uzmimo za primjer, ako je pojačalo ocijenjeno da obrađuje ulazni signal od 1 volta u pojačani signal od 50 volti, tada bismo rekli da pojačalo ima pojačanje 50, to je jednostavno.
Ovo poboljšanje niskog ulaznog signala na viši izlazni signal naziva se dobitak pojačala. Alternativno, to se može shvatiti kao povećanje ulaznog signala za faktor 50.

Omjer dobitka Dakle, pojačanje pojačala u osnovi je omjer izlaznih i ulaznih vrijednosti razina signala, ili jednostavno izlazna snaga podijeljena s ulaznom snagom, a pripisuje se slovom 'A' što također označava snagu pojačanja pojačala.

Vrste pojačala Različite vrste pojačanja pojačala mogu se klasificirati kao:

1. Pojačanje napona (isključeno)
2. Trenutni dobitak (Ai)
3. Dobitak snage (ap)

Primjeri formula za izračunavanje pojačala pojačala Ovisno o gore navedene 3 vrste dobitaka, formule za njihovo izračunavanje mogu se naučiti iz sljedećih primjera:

1. Pojačanje napona (Av) = Izlazni napon / ulazni napon = Vout / Vin
2. Pojačanje struje (Ai) = Izlazna struja / ulazna struja = Iout / Iin
3. Dobitak snage (Ap) = Prosječno x.A ja

Za izračunavanje dobitka snage možete koristiti i formulu:
Dobitak snage (Ap) = Izlazna snaga / Ulazna snaga = Aout / Ain

Važno bi bilo napomenuti da je indeks p, v, i koji se koriste za izračunavanje snage dodijeljeni su za identificiranje određene vrste pojačanja signala na kojoj se radi.

Izražavanje decibela

Pronaći ćete drugu metodu izražavanja pojačanja snage pojačala koja je u decibelima ili (dB).
Mjera ili veličina Bel (B) je logaritamska jedinica (baza 10) koja nema mjernu jedinicu.
Međutim, Decibel bi mogao biti prevelika jedinica za praktičnu upotrebu, stoga za izračune pojačala koristimo spuštenu verziju decibela (dB).
Evo nekoliko formula koje se mogu koristiti za mjerenje pojačanja pojačala u decibelima:

1. Pojačanje napona u dB: isključeno = 20 * log (isključeno)
2. Pojačanje struje u dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Porast snage u dB: ap = 10 * log (Ap)

Neke činjenice o dB mjerenju
Bilo bi važno napomenuti da je pojačanje istosmjerne snage pojačala 10 puta veće od zajedničkog dnevnika omjera izlaz / ulaz, dok su dobici struje i napona 20 puta veći od zajedničkog dnevnika njihovih omjera.

To implicira da se zbog toga što je uključena skala dnevnika, pojačanje od 20dB ne može smatrati dvostrukim od 10dB, zbog nelinearne karakteristike mjerenja log skala.

Kad se pojačanje mjeri u dB, pozitivne vrijednosti označavaju pojačanje pojačala, dok negativna vrijednost dB ukazuje na gubitak pojačanja pojačala.

Na primjer, ako je identificirano pojačanje + 3dB, to znači dvostruko ili x2 pojačanje određenog izlaza pojačala.

Suprotno tome, ako je rezultat -3dB, znači da pojačalo ima gubitak od 50% dobitka ili x0,5 mjeru gubitka u svom pojačanju. To se naziva i točkom napola snage, što znači -3dB nižom od maksimalne dostižne snage, s obzirom na 0dB što je maksimalno mogući izlaz iz pojačala

Izračunavanje pojačala

Izračunajte pojačanje napona, struje i snage pojačala sa sljedećim specifikacijama: Ulazni signal = 10mV @ 1mA Izlazni signal = 1V @ 10mA. Dodatno saznajte pojačanje pojačala pomoću vrijednosti u decibelima (dB).

Riješenje:

Primjenjujući gore naučene formule, možemo procijeniti različite vrste dobitaka povezanih s pojačalom prema ulaznim izlaznim specifikacijama u ruci:

Pojačanje napona (Av) = Izlazni napon / ulazni napon = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Pojačanje struje (Ai) = Izlazna struja / ulazna struja = Iout / Iin = 10/1 = 10
Dobitak snage (Ap) = Av. x A ja = 100 x 10 = 1000

Da bismo dobili rezultate u Decibelima, primjenjujemo odgovarajuće formule kako su date u nastavku:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Pojačala Pododjeljenja

Mala pojačala signala: S obzirom na specifikacije pojačanja snage i napona pojačala, postaje nam moguće podijeliti ih u nekoliko različitih kategorija.

Prvi tip naziva se malim pojačalom signala. Ta se mala pojačala signala obično koriste u fazama pretpojačala, instrumentacijskim pojačalima itd.

Ove vrste pojačala stvorene su za upravljanje minutnim razinama signala na njihovim ulazima, u rasponu od nekih mikrovolta, poput senzorskih uređaja ili malih ulaza audio signala.

Velika pojačala signala: Druga vrsta pojačala nazivaju se velikim pojačalima signala, a kako naziv govori, ona se koriste u aplikacijama pojačala snage za postizanje ogromnih opsega pojačanja. U ovim pojačalima ulazni je signal razmjerno veće veličine, tako da se mogu znatno pojačati za reprodukciju i uvođenje u snažne zvučnike.

Kako rade pojačala

Budući da su mala pojačala signala dizajnirana za obradu malih ulaznih napona, ona se nazivaju malim pojačalima signala. Međutim, kada je pojačalo potrebno za rad s aplikacijama s visokom sklopnom strujom na njihovim izlazima, poput upravljanja motorom ili rada sa subwooferima, pojačalo snage postaje neizbježno.

Najpopularnija pojačala se koriste kao audio pojačala za pogon velikih zvučnika i za postizanje ogromnih pojačanja na razini glazbe i jačine zvuka.

Pojačala za svoj rad zahtijevaju vanjsko istosmjerno napajanje, a to se istosmjerno napajanje koristi za postizanje željenog pojačanja velike snage na njihovom izlazu. Istosmjerna snaga obično se dobiva iz visokonaponskih visokonaponskih napajanja putem transformatora ili SMPS jedinica.

Iako su pojačala snage u stanju pojačati donji ulazni signal u visoko izlazne signale, postupak zapravo nije vrlo učinkovit. To je zato što se u tom procesu troši značajna količina istosmjerne energije u obliku odvođenja topline.

Znamo da bi idealno pojačalo proizvodilo izlaz gotovo jednak potrošenoj snazi, što bi rezultiralo učinkovitošću od 100%. Međutim, ovo praktički izgleda prilično udaljeno i možda neće biti izvedivo zbog inherentnih gubitaka istosmjerne snage iz uređaja u obliku topline.

Učinkovitost pojačala Iz gornjih razmatranja, učinkovitost pojačala možemo izraziti kao:

Učinkovitost = Pojačalo Izlazna snaga / Potrošnja istosmjernog pojačala = Pout / Pin

Idealno pojačalo

Pozivajući se na gornju raspravu, možda će nam biti moguće dati pregled glavnih karakteristika idealnog pojačala. Oni su posebno objašnjeni u nastavku:

Pojačanje (A) idealnog pojačala trebalo bi biti konstantno bez obzira na promjenjivi ulazni signal.

1. Pojačanje ostaje konstantno bez obzira na frekvenciju ulaznog signala, što omogućuje nepromijenjeno izlazno pojačanje.
2. Izlaz pojačala nema nikakvih smetnji tijekom postupka pojačanja, već suprotno, uključuje značajku smanjenja šuma koja poništava svaku moguću buku koja se unosi kroz ulazni izvor.
3. Na njega ne utječu promjene temperature okoline ili atmosferske temperature.
4. Dugotrajna upotreba ima minimalan ili nikakav utjecaj na performanse pojačala i ostaje dosljedna.

Klasifikacija elektroničkog pojačala

Bilo da se radi o pojačivaču napona ili pojačalu snage, oni su klasificirani na temelju karakteristika ulaznog i izlaznog signala. To se postiže analizom protoka struje s obzirom na signal ulaznog signala i vrijeme potrebno da dosegne izlaz.

Na temelju njihove konfiguracije kruga, pojačala snage mogu se kategorizirati po abecednom redu. Dodijeljene su im različite operativne klase kao što su:

Klasa 'A'
Klasa 'B'
Klasa 'C'
Klasa 'AB' i tako dalje.

Oni mogu imati svojstva u rasponu od gotovo linearnog izlaznog odziva, ali prilično niske učinkovitosti do nelinearnog izlaznog odziva s visokom učinkovitošću.

Nijedna od ovih klasa pojačala ne može se razlikovati kao siromašnija ili bolja jedni od drugih, jer svaka ima svoje specifično područje primjene, ovisno o zahtjevu.

Možda ćete pronaći optimalnu učinkovitost pretvorbe za svaku od njih, a njihova popularnost može se utvrditi sljedećim redoslijedom:

Pojačala klase 'A': Učinkovitost je obično niža ispod 40%, ali može pokazati poboljšani linearni izlazni signal.

Pojačala klase 'B': Stopa učinkovitosti može biti dvostruko veća od klase A, praktički oko 70%, zbog činjenice da samo aktivni uređaji pojačala troše snagu, što uzrokuje samo 50% upotrebe energije.

Pojačala klase 'AB': Pojačala u ovoj kategoriji imaju razinu učinkovitosti negdje između one klase A i klase B, ali reprodukcija signala je slabija u odnosu na klasu A.

Pojačala klase 'C': Smatraju se izuzetno učinkovitima u smislu potrošnje energije, ali reprodukcija signala je najgora s dosta izobličenja, što uzrokuje vrlo lošu replikaciju karakteristika ulaznog signala.

Kako rade pojačala klase A:

Pojačala klase A imaju idealno pristrane tranzistore unutar aktivne regije što omogućuje točno pojačavanje ulaznog signala na izlazu.

Zbog ove savršene značajke pristranosti, tranzistoru se nikad ne dopušta zanošenje prema njihovim odsječenim ili preko zasićenih područja, što rezultira pojačavanjem signala ispravnom optimizacijom i centriranjem između navedenih gornjih i donjih ograničenja signala, kao što je prikazano u sljedećem slika:

U konfiguraciji klase A, identični skupovi tranzistora primjenjuju se na dvije polovice izlaznog valnog oblika. I ovisno o vrsti pristranosti koju koristi, tranzistori izlazne snage uvijek se generiraju u uključenom položaju, bez obzira je li ulazni signal primijenjen ili ne.

Zbog toga pojačala A klase dobivaju izuzetno lošu učinkovitost u smislu potrošnje energije, jer se stvarna isporuka snage na izlaz otežava zbog prekomjernog rasipanja rasipanjem uređaja.

Uz gore objašnjenu situaciju, mogu se vidjeti pojačala klase koja uvijek imaju pregrijane tranzistore izlazne snage, čak i ako nema ulaznog signala.

Iako nema ulaznog signala, istosmjerni tok (Ic) iz napajanja smije prolaziti kroz tranzistore snage, što može biti jednako struji koja prolazi kroz zvučnik kad je ulazni signal bio prisutan. To dovodi do kontinuiranih 'vrućih' tranzistora i rasipanja energije.

Pojačalo klase B

Za razliku od konfiguracije pojačala klase A koja ovisi o pojedinačnim tranzistorima snage, klasa B koristi par komplementarnih BJT-ova u svakoj polovici presjeka kruga. Oni mogu biti u obliku NPN / PNP ili N-kanalni MOSFET / P-kanalni MOSFET).

Ovdje je dozvoljeno da jedan od tranzistora provodi kao odgovor na pola ciklusa valnog oblika ulaznog signala, dok drugi tranzistor obrađuje drugu polovinu ciklusa valnog oblika.

To osigurava da svaki tranzistor u paru provodi pola vremena unutar aktivnog područja i pola vremena u graničnom području, čime se omogućuje samo 50% sudjelovanja u pojačanju signala.

Za razliku od pojačala klase A, u pojačalima klase B tranzistori snage nisu pristrani s izravnim istosmjernim istosmjernim naponom, već im konfiguracija osigurava provođenje samo dok ulazni signal prelazi viši napon osnovnog odašiljača, što bi moglo biti oko 0,6 V za silicijske BJT-ove.

To implicira da, kada nema ulaznog signala, BJT-ovi ostaju isključeni, a izlazna struja je nula. I zbog toga je samo 50% ulaznog signala dopušteno ući u izlaz u bilo kojem slučaju što omogućava puno bolju stopu učinkovitosti za ova pojačala. Rezultat se može vidjeti na sljedećem dijagramu:

Budući da ne postoji izravno sudjelovanje istosmjerne struje za pristranost snažnih tranzistora u pojačalima klase B, kako bi se pokrenulo provođenje kao odgovor na svaki ciklus +/- valnog oblika, postaje nužno za njihovu bazu / emiter Vbe za postizanje većeg potencijala od 0,6 V (standardna osnovna vrijednost pristranosti za BJT)

Zbog gore navedene činjenice, to implicira da, iako je izlazni valni oblik ispod oznake 0,6 V, ne može se pojačati i reproducirati.

To dovodi do izobličenog područja izlaznog valnog oblika, samo tijekom razdoblja kada se jedan od BJT-a isključi i čeka da se drugi ponovo uključi.

To rezultira malim dijelom valnog oblika koji je podvrgnut manjim izobličenjima tijekom razdoblja presijecanja ili prijelaznog razdoblja u blizini križanja nule, točno kada se prelazak s jednog tranzistora na drugi dogodi preko komplementarnih parova.

Pojačalo klase AB

Pojačalo klase AB izrađeno je pomoću kombinacija f karakteristika iz dizajna krugova klase A i razreda, pa otuda i naziv Klasa AB.

Iako dizajn AB klase također radi s parom komplementarnih BJT-ova, izlazni stupanj osigurava da se odstupanje snage BJT-a kontrolira blizu graničnog praga, u odsustvu ulaznog signala.

U ovoj situaciji, čim se osjeti ulazni signal, tranzistori počinju normalno raditi u svom aktivnom području, čime se inhibira svaka mogućnost križnog izobličenja, što je uobičajeno u konfiguracijama klase B. Međutim, može postojati neznatna količina struje kolektora koja provodi preko BJT-ova, ta se količina može smatrati zanemarivom u usporedbi s dizajnom klase A.

Pojačalo klase AB pokazuje znatno poboljšanu stopu učinkovitosti i linearni odziv za razliku od kolege klase A.

Izlazni valni oblik pojačala klase AB

Klasa pojačala važan je parametar koji ovisi o načinu na koji su tranzistori pristrani kroz amplitudu ulaznog signala, za provedbu postupka pojačanja.

Oslanja se na to koliko se veličine valnog oblika ulaznog signala koristi za provođenje tranzistora, kao i na faktor učinkovitosti, koji se određuje količinom energije koja se stvarno koristi za isporuku izlaza i / ili se troši rasipanjem.

S obzirom na ove čimbenike, konačno možemo stvoriti izvješće o usporedbi koje pokazuje razlike između različitih klasa pojačala, kao što je dato u sljedećoj tablici.

Tada možemo napraviti usporedbu između najčešćih vrsta klasifikacija pojačala u sljedećoj tablici.

Klase pojačala snage

Završne misli

Ako pojačalo nije pravilno dizajnirano, poput primjerice dizajna pojačala klase A, može zahtijevati znatno hlađenje napajajućih uređaja, zajedno s ventilatorima za hlađenje za rad. Takvi će projekti također trebati veće ulaze za napajanje kako bi nadoknadili ogromne količine energije izgubljene u toplini. Svi takvi nedostaci mogu takva pojačala učiniti vrlo neučinkovitima, što bi pak moglo prouzročiti postupno propadanje uređaja i na kraju kvarove.

Stoga bi moglo biti uputno odabrati pojačalo klase B dizajnirano s većom učinkovitošću od oko 70% za razliku od 40% pojačala klase A. Rečeno je da pojačalo klase A može obećati linearniji odziv sa svojim pojačavanjem i širim frekvencijskim odzivom, iako to dolazi s cijenom značajnog gubitka snage.