Amplificatori elettronici nell'elettronica industriale

Si tratta di dispositivi progettati per amplificare la tensione, la corrente e la potenza di un segnale elettrico.

L'amplificatore più semplice è un circuito a transistor. L'utilizzo di amplificatori è dovuto al fatto che solitamente i segnali elettrici (tensioni e correnti) che entrano nei dispositivi elettronici sono di piccola ampiezza ed è necessario aumentarli al valore necessario sufficiente per un ulteriore utilizzo (conversione, trasmissione, alimentazione al carico ).

La Figura 1 mostra i dispositivi necessari per far funzionare l'amplificatore.

Figura 1 — Ambiente dell'amplificatore

La potenza rilasciata quando l'amplificatore è caricato è la potenza convertita del suo alimentatore e il segnale di ingresso lo guida solo. Gli amplificatori sono alimentati da sorgenti di corrente continua.

Di solito, l'amplificatore è costituito da diversi stadi di amplificazione (Fig. 2). I primi stadi di amplificazione, progettati principalmente per amplificare la tensione del segnale, sono chiamati preamplificatori. I loro circuiti sono determinati dal tipo di sorgente del segnale di ingresso.

Lo stadio che serve ad amplificare la potenza del segnale è chiamato terminale o uscita.Il loro schema è determinato dal tipo di carico. Inoltre, l'amplificatore può comprendere stadi intermedi progettati per ottenere l'amplificazione necessaria e (o) per formare le caratteristiche necessarie del segnale amplificato.

Figura 2 — Struttura dell'amplificatore

Classificazione dell'amplificatore:

1) a seconda del parametro amplificato, tensione, corrente, amplificatori di potenza

2) dalla natura dei segnali amplificati:

• amplificatori di segnali armonici (continui);

• amplificatori di segnali a impulsi (amplificatori digitali).

3) nella gamma delle frequenze amplificate:

• amplificatori CC;

• Amplificatori CA

• bassa frequenza, alta, ultra alta ecc.

4) dalla natura della risposta in frequenza:

• risonante (amplifica i segnali in una banda di frequenza ristretta);

• passabanda (amplifica una certa banda di frequenza);

• banda larga (amplifica l'intera gamma di frequenze).

5) per tipologia di elementi di rinforzo:

• di lampade a vuoto elettriche;

• su dispositivi a semiconduttore;

• sui circuiti integrati.

Quando si seleziona un amplificatore, uscire dai parametri dell'amplificatore:

• potenza di uscita misurata in watt. La potenza di uscita varia ampiamente a seconda dello scopo dell'amplificatore, ad esempio negli amplificatori audio, dai milliwatt nelle cuffie a decine e centinaia di watt nei sistemi audio.

• Intervallo di frequenza, misurato in hertz. Ad esempio, lo stesso amplificatore audio dovrebbe solitamente fornire un guadagno nell'intervallo di frequenza 20-20.000 Hz e un amplificatore del segnale televisivo (immagine + suono) - 20 Hz - 10 MHz e superiore.

• Distorsione non lineare, misurata in percentuale%. Caratterizza la distorsione di forma del segnale amplificato. Generalmente, più basso è un dato parametro, meglio è.

• L'efficienza (rapporto di efficienza) è misurata in percentuale%.Mostra quanta potenza viene utilizzata dall'alimentatore per dissipare potenza nel carico. Il fatto è che parte della potenza della sorgente viene sprecata, in misura maggiore si tratta di perdite di calore: il flusso di corrente provoca sempre il riscaldamento del materiale. Questo parametro è particolarmente importante per i dispositivi autoalimentati (da accumulatori e batterie).

La Figura 3 mostra un tipico circuito di preamplificazione a transistor bipolare. Il segnale di ingresso proviene da una sorgente di tensione Uin I condensatori di blocco Cp1 e Cp2 passano la variabile ie. segnale amplificato e non passano corrente continua, il che consente di creare modalità operative indipendenti per corrente continua in stadi amplificatori collegati in serie.

Figura 3 — Schema dello stadio amplificatore di un transistor bipolare

I resistori Rb1 e Rb2 sono il partitore principale che fornisce la corrente di avviamento alla base del transistor Ib0, il resistore Rk fornisce la corrente di avviamento al collettore Ik0. Queste correnti sono chiamate correnti laminari. In assenza di un segnale di ingresso, sono costanti. La Figura 4 mostra i diagrammi di temporizzazione dell'amplificatore. Un grafico temporale è un cambiamento di un parametro nel tempo.

Il resistore Re fornisce un feedback di corrente negativo (NF). Il feedback (OC) è il trasferimento di una parte del segnale di uscita al circuito di ingresso dell'amplificatore. Se il segnale di ingresso e il segnale di feedback sono opposti in fase, si dice che il feedback è negativo. OOS riduce il guadagno, ma allo stesso tempo riduce la distorsione armonica e aumenta la stabilità dell'amplificatore. È utilizzato in quasi tutti gli amplificatori.

Il resistore Rf e il condensatore Cf sono elementi filtranti.Il condensatore Cf forma un circuito a bassa resistenza per la componente variabile della corrente assorbita dall'amplificatore dalla sorgente Up. Gli elementi filtranti sono necessari se più sorgenti di amplificazione sono alimentate dalla sorgente.

Quando viene applicato un segnale di ingresso Uin, la corrente Ib ~ appare nel circuito di ingresso e nell'uscita Ik ~. La caduta di tensione creata dalla corrente Ik ~ attraverso il carico Rn sarà il segnale di uscita amplificato.

Dai diagrammi provvisori di tensioni e correnti (Fig. 3) si può vedere che le componenti variabili delle tensioni all'ingresso Ub ~ e all'uscita Uc ~ = Uout della cascata sono antifase, cioè lo stadio di guadagno del transistor OE cambia (inverte) la fase del segnale di ingresso nella direzione opposta.

Figura 4 — Diagrammi di temporizzazione di correnti e tensioni nello stadio amplificatore di un transistor bipolare

Un amplificatore operazionale (OU) è un amplificatore CC/CA con guadagno elevato e profondo feedback negativo.

Consente l'implementazione di un gran numero di dispositivi elettronici, ma è tradizionalmente chiamato amplificatore.

Possiamo dire che gli amplificatori operazionali sono la spina dorsale di tutta l'elettronica analogica. L'ampio utilizzo di amplificatori operazionali è associato alla loro flessibilità (la capacità di costruire vari dispositivi elettronici sulla base, sia analogici che pulsati), un'ampia gamma di frequenze (amplificazione di segnali CC e CA), indipendenza dei parametri principali dalla destabilizzazione esterna fattori (sbalzi di temperatura, tensione di alimentazione, ecc.). Vengono utilizzati principalmente amplificatori integrati (IOU).

La presenza della parola "operativo" nel nome è spiegata dalla possibilità che questi amplificatori possano eseguire una serie di operazioni matematiche: addizione, sottrazione, differenziazione, integrazione, ecc.

La Figura 5 mostra l'UGO IEE.L'amplificatore ha due ingressi: avanti e indietro e un'uscita. Quando il segnale di ingresso viene applicato a un ingresso non invertente (diretto), il segnale di uscita ha la stessa polarità (fase) — Figura 5, a.

Figura 5 — Designazioni grafiche convenzionali degli amplificatori operazionali

Quando si utilizza l'ingresso invertente, la fase del segnale di uscita verrà spostata di 180 ° rispetto alla fase del segnale di ingresso (polarità invertita) — Figura 6, b. Gli ingressi e le uscite invertiti sono cerchiati.

Figura 6 — Diagrammi temporali dell'amplificatore operazionale: a) — non invertente, b) — invertente

Quando viene applicata una tensione allo sfondo, la tensione di uscita è proporzionale alla differenza tra le tensioni di ingresso. Questi. il segnale di ingresso invertente viene accettato con un segno «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), dove K è il guadagno.

Figura 7 — Ampiezza caratteristica dell'amplificatore operazionale

L'amplificatore operazionale è alimentato da una sorgente bipolare, solitamente +15 V e -15 V. È consentita anche un'alimentazione unipolare. Il resto delle conclusioni del pagherò sono indicate man mano che vengono utilizzate.

Il funzionamento dell'amplificatore operazionale è spiegato dalla caratteristica di ampiezza - Figura 8. Sulla caratteristica si può distinguere una sezione lineare, in cui la tensione di uscita aumenta proporzionalmente con un aumento della tensione di ingresso e due sezioni di saturazione U + sat e U-sab. Ad un certo valore della tensione di ingresso Uin.max, l'amplificatore va in modalità di saturazione, in cui la tensione di uscita assume un valore massimo (ad un valore di Up = 15 V, circa Uns = 13 V) e rimane invariata con un ulteriore aumento del segnale di ingresso. La modalità di saturazione viene utilizzata nei dispositivi a impulsi basati su amplificatori operazionali.

Gli amplificatori di potenza vengono utilizzati nelle fasi finali dell'amplificazione e sono progettati per creare la potenza richiesta nel carico.

La loro caratteristica principale è il funzionamento con alti livelli di segnale in ingresso e alte correnti di uscita, che richiedono l'uso di potenti amplificatori.

Gli amplificatori possono funzionare in modalità A, AB, B, C e D.

Nella modalità A, la corrente di uscita del dispositivo amplificatore (transistor o valvola elettronica) è aperta per l'intero periodo del segnale amplificato (cioè costantemente) e la corrente di uscita lo attraversa. Gli amplificatori di potenza in classe A introducono una distorsione minima nel segnale amplificato, ma hanno un'efficienza molto bassa.

Nella modalità B, la corrente di uscita è divisa in due parti, un amplificatore amplifica la semionda positiva del segnale, il secondo negativo. Di conseguenza, maggiore efficienza rispetto alla modalità A, ma anche grandi distorsioni non lineari che si verificano al momento della commutazione dei transistor.

La modalità AB ripete la modalità B, ma al momento del passaggio da una semionda all'altra entrambi i transistor sono aperti, il che consente di ridurre le distorsioni mantenendo un'elevata efficienza. La modalità AB è la più comune per gli amplificatori analogici.

La modalità C viene utilizzata nei casi in cui non vi è alcuna distorsione della forma d'onda durante l'amplificazione, poiché la corrente di uscita dell'amplificatore scorre per meno di mezzo periodo, il che, ovviamente, porta a grandi distorsioni.

La modalità D utilizza la conversione dei segnali di ingresso in impulsi, l'amplificazione di tali impulsi e la successiva riconversione.In questo caso, i transistor di uscita funzionano in modalità chiave (il transistor è completamente chiuso o completamente aperto), il che avvicina l'efficienza dell'amplificatore al 100% (in modalità AV, l'efficienza non supera il 50%). Gli amplificatori che funzionano in modalità D sono chiamati amplificatori digitali.

In un circuito push-pull, l'amplificazione (modalità B e AB) avviene in due cicli di clock. Durante il primo semiperiodo, il segnale di ingresso viene amplificato da un transistor e l'altro viene chiuso durante questo semiperiodo o parte di esso. Nel secondo mezzo ciclo, il segnale viene amplificato dal secondo transistor mentre il primo è spento.

Il circuito scorrevole dell'amplificatore a transistor è mostrato in Figura 8. Lo stadio a transistor VT3 fornisce una spinta ai transistor di uscita VT1 e VT2. I resistori R1 e R2 impostano la modalità di funzionamento costante dei transistor.

Con l'arrivo di una semionda negativa Uin, la corrente di collettore VT3 aumenta, il che porta ad un aumento della tensione alle basi dei transistor VT1 e VT2. In questo caso, VT2 si chiude e attraverso VT1 la corrente del collettore passa attraverso il circuito: + Su, transizione K-E VT1, C2 (durante la carica), Rn, custodia.

Quando arriva una semionda positiva, Uin VT3 si chiude, il che porta a una diminuzione della tensione alle basi dei transistor VT1 e VT2 - VT1 si chiude e attraverso VT2 la corrente del collettore scorre attraverso il circuito: + C2, transizione EK VT2 , caso, Rn, -C2 . T

Ciò garantisce che la corrente di entrambe le semionde della tensione di ingresso scorra attraverso il carico.

Figura 8 — Schema di un amplificatore di potenza

In modalità D, gli amplificatori funzionano con modulazione di larghezza di impulso (PWM)… Il segnale in ingresso viene modulato impulsi rettangolarimodificandone la durata.In questo caso il segnale viene convertito in impulsi rettangolari della stessa ampiezza, la cui durata è proporzionale al valore del segnale in ogni momento.

Il treno di impulsi viene inviato ai transistor per l'amplificazione. Poiché il segnale amplificato è pulsato, il transistor funziona in modalità chiave. Il funzionamento in modalità chiave è associato a perdite minime, poiché il transistor è chiuso o completamente aperto (ha una resistenza minima).Dopo l'amplificazione, la componente a bassa frequenza (segnale originale amplificato) viene estratta dal segnale utilizzando un filtro passa-basso ( LPF) e alimentato al carico.

Figura 9 — Schema a blocchi di un amplificatore di classe D

Gli amplificatori di classe D sono utilizzati nei sistemi audio per laptop, nelle comunicazioni mobili, nei dispositivi di controllo del motore e altro ancora.

Gli amplificatori moderni sono caratterizzati dall'uso diffuso di circuiti integrati.