Усилители тока

Усилители постоянного тока – назначение, виды, схемы и принцип действия

Усилители постоянного тока, как может показаться из названия, сами по себе ток не усиливают, то есть они не генерируют никакой дополнительной мощности. Данные электронные устройства служат для управления электрическими колебаниями в определенном диапазоне частот начиная с 0 Гц. Но посмотрев на форму сигналов на входе и выходе усилителя постоянного тока, можно однозначно сказать — на выходе имеется усиленный входной сигнал, однако источники энергии для входного и выходного сигналов — индивидуальные.

По принципу действия усилители постоянного тока подразделяются на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Усилители постоянного тока с преобразованием преобразуют ток постоянный — в переменный, затем он усиливается и выпрямляется. Это называется усилением сигнала с модуляцией и демодуляцией — МДМ.

Схемы усилителей прямого усиления не содержат реактивных элементов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. Вместо этого существует непосредственная гальваническая связь выхода (коллектора или анода) усилительного элемента одного каскада с входом (базой или сеткой) очередного каскада. По этой причине усилитель прямого усиления способен пропускать (усиливать) даже постоянный ток. Такие схемы популярны и в акустике.

Однако непосредственная гальваническая связь хотя и передает очень точно между каскадами перепады напряжения и медленные изменения тока, такое решение сопряжено с нестабильностью работы усилителя, с затруднением установления режима работы усилительного элемента.

Когда напряжение источников питания немного изменяется, или изменяется режим работы усилительных элементов, либо немного плывут их параметры, – тут же наблюдаются медленные изменения токов в схеме, которые по гальванически связанным цепям попадают во входной сигнал и соответствующим образом искажают форму сигнала на выходе. Зачастую эти паразитные изменения на выходе схожи по размаху с рабочими изменениями, вызываемыми нормальным входным сигналом.

Искажения выходного напряжения могут быть вызваны различными факторами. Прежде всего — внутренними процессами в элементах схемы. Нестабильное напряжение источников питания, нестабильные параметры пассивных и активных элементов схемы, особенно под действием перепадов температуры и т. д. Они могут быть вовсе не связаны с входным напряжением.

Изменения выходного напряжения вызванные данными факторами именуют дрейфом нуля усилителя. Максимальное изменение выходного напряжения в отсутствие входного сигнала усилителя (когда вход замкнут) за определенный временной промежуток, называется абсолютным дрейфом.

Напряжение дрейфа, приведенное ко входу равно отношению абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления данного усилителя. Это напряжение определяет чувствительность усилителя, так как вносит ограничение в минимально различимый входной сигнал.

Чтобы усилитель работал нормально, напряжение дрейфа не должно быть больше заранее определенного минимального напряжения усиливаемого сигнала, который подается на его вход. В случае если дрейф выхода окажется того же порядка или будет превышать входной сигнал, искажения превысят допустимую норму для усилителя, и его рабочая точка окажется смещенной за пределы адекватной рабочей области характеристик усилителя («дрейф нуля»).

Для снижения дрейфа нуля прибегают к следующим приемам. Во-первых, все источники напряжения и тока, питающие каскады усилителя, делают стабилизированными. Во-вторых, используют глубокую отрицательную обратную связь. В-третьих, применяют схемы компенсации температурного дрейфа путем добавления нелинейных элементов, чьи параметры зависят от температуры. В-четвертых, используют балансирующие мостовые схемы. И наконец, постоянный ток преобразуют в переменный и затем усиливают переменный ток и выпрямляют.

При создании схемы усилителя постоянного тока очень важно согласовать потенциалы на входе усилителя, в точках сопряжения его каскадов, а также на нагрузочном выходе. Также необходимо обеспечить стабильность работы каскадов при различных режимах и даже в условиях плавающих параметров схемы.

Усилители постоянного тока бывают однотактными и двухтактными. Однотактные схемы прямого усиления предполагают непосредственную подачу выходного сигнала с одного элемента — на вход следующего. На вход следующего транзистора вместе с выходным сигналом от первого элемента (транзистора) подается коллекторное напряжение первого.

Тут должны быть согласованы потенциалы коллектора первого и базы второго транзистора, для чего коллекторное напряжение первого транзистора компенсируют при помощи резистора. Резистор добавляют также в цепь эмиттера второго транзистора, чтобы сместить его напряжение база-эмиттер. Потенциалы на коллекторах транзисторов следующих каскадов также должны быть высокими, что тоже достигается применением согласующих резисторов.

В двухтактном параллельном балансном каскаде резисторы коллекторных цепей и внутренние сопротивления транзисторов образуют собой четырехплечевой мост, на одну из диагоналей которого (между цепями коллектор-эмиттер) подается напряжение питания, а к другой (между коллекторами) — присоединяется нагрузка. Сигнал который требуется усилить прикладывается к базам двух транзисторов.

При равенстве коллекторных резисторов и полностью одинаковых транзисторах, разность потенциалов между коллекторами, в отсутствие входного сигнала, равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то на коллекторах будут приращения потенциалов равные по модулю, но противоположные по знаку. На нагрузке между коллекторами появится переменный ток по форме повторяющий входной сигнал, но большей амплитуды.

Такие каскады часто применяются в качестве первичных каскадов многокаскадных усилителей либо в качестве выходных каскадов для получения симметричного напряжения и тока. Достоинство данных решений в том, что влияние температуры на оба плеча одинаково изменяет их характеристики и напряжение на выходе не плывет.

Электронные усилители

Термин усилитель весьма многозначен. Это может быть гидроусилитель, хорошо известный автомобилистам, магнитный усилитель, применявшийся когда-то в системах автоматики. Также известны электромеханические и релейные усилители.

Принцип работы всех усилителей одинаков: под воздействием слабого управляющего сигнала на выходе усилителя появляется мощный выходной сигнал. Естественно, что для получения выходного сигнала большой мощности требуется внешний источник энергии.

Например, на управление катушкой реле требуется мощность в доли ватта, в то время, как контакты могут коммутировать нагрузку в несколько киловатт. Что называется, налицо усиление по мощности. Но в этой статье будут вкратце рассмотрены только электронные усилители.

Электронные усилители

Именно они являются наиболее распространенным узлом различных приборов и устройств. В зависимости от выполняемой функции, от природы входного сигнала, усилители разделяются на несколько типов. В одном случае это, например, сигнал термопары, а в другом музыка, речь или сигнал телевизионной антенны, работающей в дециметровом диапазоне волн.

Но все электронные усилители объединяет то, что они используют явление электропроводимости в различных средах. Прежде всего это вакуум (электронные лампы) и полупроводники (транзисторы и микросхемы).

Большая часть электронных усилителей в настоящее время выполнена на полупроводниках, конструкции на лампах используются любителями очень качественного звука, меломанами, и еще там, где без ламп обойтись невозможно.

Усилители конструктивно могут быть как отдельным устройством, так и составной частью какого-либо прибора, например измерительного.

Усилители постоянного тока (УПТ)

Эти усилители работают в диапазоне частот от нуля до некоторой верхней частоты. Другими словами они способны усиливать постоянное напряжение. При этом, конечно же, усиливается и переменная составляющая сигнала. Схема, если не всего, то какой-то части УПТ показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема усилителя постоянного тока

Для того, чтобы иметь возможность усиливать «постоянку», связь между каскадами выполняется с помощью резисторов, диодов, стабилитронов или вовсе непосредственно. Именно этот вариант и показан на рисунке 1. Наиболее широкое применение УПТ находят в системах автоматики, преобразователях неэлектрических величин, в измерительных приборах, в усилителях сигналов разных датчиков.

УПТ являются также основой для создания операционных усилителей (ОУ), которые широко применяются в различных приборах. Собственно, все УПТ в настоящее время строятся на основе ОУ, достоинства которых широко известны и не подлежат никакому сомнению.

На рисунке 2 показана схема УПТ на базе операционного усилителя. Как видно, она намного проще предыдущей, хотя параметры ее намного лучше.

Рисунок 2. УПТ на основе ОУ

Усилители переменного тока

Усилители переменного тока отличаются от УПТ тем, что усиливают лишь переменную составляющую входного сигнала. В качестве примера на рисунке 3 показан микрофонный усилитель для динамического микрофона типа МД-52 или ему подобным, которым комплектовались отечественные магнитофоны.

Рисунок 3. Микрофонный усилитель

На входе и выходе усилителя, выполненного на микросхеме, установлены разделительные конденсаторы, что позволяет пропустить через усилитель только переменную составляющую сигнала.

Такая схема называется также микрофонным усилителем. Будучи подключенной к звуковой карте компьютера упомянутый микрофон позволяет получить прекрасный звук, гораздо лучший, нежели при помощи китайского компьютерного микрофона.

Усилитель прекрасно работает даже от +5В, поэтому запитать его можно от разъема USB, или вывести 12 вольт из компьютера. Налаживания устройство не требует, начинает работать сразу. Малое количество деталей позволяет собрать эту схему навесным монтажом, используя выводы деталей. При этом следует стремиться, чтобы соединения были как можно короче. Это спасет от наводок и помех.

Усилители высокой частоты

Применяются в основном в радиоприемниках и телевизорах. Их назначение несколько усилить входной сигнал, например, от антенны. Далее происходит супергетеродинное преобразование, и дальнейшее основное усиление происходит на промежуточной частоте. Спецификой таких усилителей является применение ВЧ транзисторов, а также особенности монтажа устройства. Подобный монтаж можно увидеть, если открыть радиочастотный блок любого современного телевизора.

Полосовые усилители

Полосовые усилители предназначены для усиления сигналов в узком диапазоне частот. В качестве примера можно привести усилители промежуточной частоты (УПЧ). Полоса частот в таких усилителях обеспечивается за счет колебательных контуров и фильтров сосредоточенной селекции (ФСС) или пьезокерамических фильтров (ПКФ). Ведь усилить сигнал в узкой полосе частот намного проще, чем создавать очень широкополосный усилитель.

Кроме уже упомянутых усилителей существует весьма большое количество из разновидностей, вот еще некоторые из них.

Предварительные усилители

Их назначение усилить сигнал от слабого источника до уровня, приемлемого для дальнейших каскадов. Например, поднять уровень магнитофонной приставки до входного уровня оконечного усилителя звуковой частоты. Предварительный усилитель также может включать в себя регуляторы тембра и громкости.

Для воспроизведения грамзаписи с виниловых дисков применяются специальные предварительные усилители-корректоры, формирующие частотную характеристику для работы с головкой звукоснимателя. Когда музыку записывали и слушали на магнитофонах, в ходу были усилители записи и воспроизведения. Назначение таких усилителей состояло в формировании требуемой частотной характеристики канала запись – воспроизведение.

Читайте также:  Что такое РТИ и их виды (резинотехнические изделия)

Измерительные усилители

Чаще всего применяются в измерительных приборах, средствах автоматики, контроллерах управления промышленным оборудованием. Эти усилители также называют инструментальными. Они обладают очень малым собственным шумом, очень большим коэффициентом усиления (при разорванной цепи ОС) и очень большим коэффициентом подавления синфазных помех. Такие очень высокие характеристики достигаются применением определенного соединения нескольких ОУ. Вот, как много всяких «очень» у измерительных усилителей. На рисунке 4 показана классическая схема инструментального усилителя.

Рисунок 4. Схема инструментального усилителя

Наряду с этой схемой широкое применения находят также схемы на одном ОУ или двух. Встречаются и более сложные конструкции. В последнее время измерительные усилители выпускаются в интегральном варианте,- все что показано на рисунке 4 умещается в одном корпусе, при этом количество подстроечных элементов минимально, как правило, один внешний резистор. На рисунке 4 это R1, а на рисунке 5 резистор RG (GAIN).

Внутреннее устройство интегрального измерительного усилителя типа AD623, естественно, упрощенная схема показано на рисунке 5 . Отличительная особенность этого усилителя малая цена и способность работать с однополярным питанием.

Рисунок 5. Схема интегрального измерительного усилителя типа AD623

Более подробно про электронные усилители вы можете узнать здесь.

Искусственный интеллект нашего сайта решил, что эти статьи вам будут особенно полезны:

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое усилитель тока, токовый буфер и токовый повторитель

Усилитель тока

Усилитель тока – это электронная схема, которая увеличивает величину тока входного сигнала на фиксированное значение и подает его в последующую схему или устройство. Этот процесс называется токовым усилением входного сигнала.

Вход может быть постоянным или изменяющимся во времени сигналом. В идеале, во время этого процесса усиления тока усилитель тока будет сохранять неизменной составляющую напряжения входного сигнала. Ниже приведена блок-схема типичного усилителя тока.

Сигналы на входных и выходных клеммах обозначают величину тока относительно времени. Обратите внимание, что весь сигнал растягивается (увеличивается) на выходе с фиксированным коэффициентом.

Коэффициент усиления усилителя тока

В электронике «усиление» или «коэффициент усиления» – это технический термин, используемый для оценки усилительной способности усилителя. А поскольку усилитель тока преобразует только токовую составляющую входного сигнала, его коэффициент усиления зависит от того, насколько он увеличивает ток выходного сигнала по отношению к входному сигналу.

Математически коэффициент усиления усилителя тока представляет собой отношение величины тока, протекающего через его выходные клеммы, к величине тока входного сигнала. Он обозначается символом Ai и, поскольку это соотношение, он не имеет единиц: Ai=Iвых/Iвх.

Например, если поток тока от входного сигнала составляет 1 мА, а ток, протекающий через выходные клеммы, составляет 100 мА, тогда усиление данного усилителя тока будет равно 100 (100 мА / 1 мА). Это означает, что величина тока входного сигнала на выходе возрастает в 100 раз.

Усиление также может иметь отрицательное значение. Это указывает на то, что выходной сигнал является обращенной и масштабированной копией входного сигнала.

Характеристики идеального усилителя тока

Для разработки усилителя тока необходимо проработать набор правил / характеристик, которые определяют его теоретическое поведение. Ниже приведены эти идеальные характеристики:

  • Усиление тока усилителя (Ai) должно оставаться постоянным для всего диапазона входного сигнала
  • Усиление тока усилителей не должно зависеть от условий окружающей среды, таких как температура и влажность
  • Входной импеданс (эффективное сопротивление между входными клеммами) усилителя тока должен быть равен нулю
  • Выходной импеданс (эффективное сопротивление между выходными клеммами) усилителя тока должно быть бесконечным

В реальных случаях невозможно достичь указанного выше рекомендуемого сопротивления усилителей тока. Но они используются в качестве эталонных параметров для проектирования схем усилителей тока, близких к идеальным. Диаграмма ниже иллюстрирует модель усилителя идеального тока вместе с реальным.

Обратите внимание на сопротивления на входе и выходе усилителя тока в реальном случае. Последовательное сопротивление на входе указывает эффективное сопротивление, создаваемое схемой усиления. Сопротивление, параллельное выходу, обозначает некоторую часть выходного сигнала, потерянную либо механизмами обратной связи, либо из-за внутренних потерь.

Схема усилителя тока

Ниже приведена принципиальная схема простой двухкаскадной цепи усилителя тока, в которой в качестве усилительного элемента используются транзисторы npn и pnp.

Фотодиод поглощает энергию света и высвобождает электроны, тем самым действуя в качестве источника входного тока. Этот ток от фотодиода сначала усиливается транзистором Q1 и дополнительно усиливается транзистором Q2.

Резисторы у баз обоих транзисторов используются для регулировки усиления. Количество раз усиления сигнала совпадает с количеством каскадов в усилителе. Здесь ток усиливается в два раза, так что это двухкаскадный усилитель тока.

Переходя к расчетной части, скажем, id – это ток, протекающий от фотодиода, а Ai1, Ai2 – коэффициенты усиления транзисторов Q1 и Q2 соответственно. Ток на выходе первого транзистора будет равен Ai1*id, и это будет вход для второго транзистора. Второй транзистор Q2 будет дополнительно усиливать этот сигнал с коэффициентом Ai2. Таким образом, конечный выходной ток будет равен Ai2*Ai1*id, что сделает усиление всего этого двухступенчатого усилителя тока равным Ai2*Ai1.

Применение усилителей тока

Ниже приведены некоторые практические применения усилителей тока:

  • В системах усиления звука усилители тока используются для получения более качественного звучания низких частот за счет увеличения интенсивности, с которой приводятся в действие динамики
  • Усилители тока с переменным усилением используются во многих промышленных производственных системах, таких как машины лазерной и водоструйной резки, для контроля интенсивности, с которой осуществляется изготовление
  • В сенсорных системах усилители тока используются для усиления слабых входных сигналов для использования в последующих цепях

Токовый буфер

Токовый буфер – это электронная схема, которая используется для передачи электрического тока от входного источника, имеющего очень малый импеданс (эффективное сопротивление), к выходным нагрузкам с высоким импедансом. Он предназначен для предотвращения воздействия на источники сигнала из-за различий в величине тока, потребляемого выходными нагрузками.

В большинстве сценариев он действует как мост между слабыми входными сигналами (например, сигналами от датчиков) и выходными нагрузками, которые могут потреблять большие токи. Ниже приведена схема идеального токового буфера.

Он в первую очередь предназначен для устранения влияния выходной нагрузки на источник входного сигнала. Таким образом, вы можете думать о буфере тока как о цепи, которая изолирует входные и выходные цепи, в то же время позволяя проводить требуемый поток тока к выходной нагрузке для поддержания постоянного напряжения на нем. Ниже приведена принципиальная схема простого токового буфера на основе полевого транзистора.

Такое расположение обеспечивает меньшее сопротивление входного сигнала и высокое сопротивление на выходной клемме, что делает его почти идеальным буфером тока.

Применение токового буфера

Токовый повторитель

Токовая буферная схема с усилением 1 (т.е. входные и выходные токи одинаковы) называется токовым повторителем. Это означает, что схема повторителя тока не обеспечивает какого-либо усиления тока для входного сигнала.

Вы можете быть удивлены, почему схема токового повторителя используется в реальности, поскольку входной и выходной токи от токового повторителя одинаковы. Причина в том, что повторитель тока не используется для увеличения выходного тока.

Но он используется для изоляции входных и выходных линий, обеспечивая при этом одинаковое количество тока, поступающего на вход и выход. Это причина, по которой схемы токовых повторителей также называются изоляционными буферами.

Что внутри L293?! Часть первая

Усилитель тока

Практически все схемы обработки сигналов или схемы управления работают на относительно малых токах. Через детали таких схем, через транзисторы или микросхемы, обычно протекают токи всего лишь в несколько миллиампер. Выходные сигналы таких схем так же слабы. Такого тока недостаточно для работы какого либо исполнительного устройства или мощнной нагрузки: мотора, лампочки, обмотки реле. На рис. 1 приведена схема, которую можно собрать, что бы проверить это на практике.

В этом случае источник сигнала заменён резистором. Сопротивление резистора выбрано таким, что бы проходящий через него и через нагрузку ток был в пределах нескольких миллиампер. Приблизительно такой же ток обеспечивают и обычные логические микросхемы, операционные усилители или микроконтроллеры.
Для того, что бы усилить небольшой ток до нужной величины применяют усилитель тока.

Усилитель тока – устройство для повышения значения силы тока в цепи за счёт энергии постороннего источника.

Схему усилителя тока можно собрать на двух транзисторах одинаковой структуры n-p-n (рис. 2). Для достижения максимального усиления тока транзисторы соединены специальным образом. Такое соединение транзисторов образует составной транзистор, или транзистор Дарлингтона (по имени изобреталетя Sidney Darlington).

Транзистор Т2 полностью откроется при токе от источника сигнала около 1 мА, а через его коллектор может проходить ток до 1000 мА. Получается, схема на двух транзисторах усиливает ток в 1000 раз!
Тут нагрузка подключена одним выводом к плюсу источника питания, а вторым – к выходу усилителя. Другая важная оссобенность этой схемы в том, что открытие транзистора происходит от источника положительной полярности. То есть, что бы усилитель “прижал” нагрузку к минусу, нужно подать “плюс”.

Но иногда один вывод нагрузки обязательно должен быть подключён к минусу питания, тогда второй вывод нужно “тянуть” к плюсу. В таком случае можно применить немного другую схему усилителя, рис. 3.

Этот усилитель так же собран на составном транзисторе, но с применением транзисторов разной проводимости. Такое соединение транзисторов называют транзисторной парой Шиклаи (по имени изобреталетя George Clifford Sziklai). Но в противовес транзистору Дарлингтона открытие транзистора Шиклаи тут происходит сигналом отрицательной полярности. То есть, что бы усилитель “тянул” нагрузку к плюсу, нужно подать “минус”.

Диод в схемах на рис. 2 и рис. 3 предназначен для подавления противо-ЭДС, появляющейся при подключении нагрузки индуктивного харрактера. Такую же функцию выполняют эти диоды и во всех схемах далее.

Если совместить схему на рис. 2 со схемой на рис. 3, то получится более универсальный усилитель тока – рис. 4. Такой усилитель может не только “давить” подключённую нагрузку к минусу, но и “тянуть” её к плюсу, поэтому про такой усилитель говорят “усилитель с push-pull-выходом” (от английского “push” – давить и “pull” – тянуть). Применяется и другое его название – двухтактный усилитель.
В двухтактном усилителе в один момент времени может быть открыт только один из выходных транзисторов, верхний или нижний. Причём, что бы открыть нижний транзистор, на вход схемы нужно подать сигнал величиной около двух вольт, а что бы открыть верхний транзистор – нужен сигнал величиной менее одного вольта. Такая “избирательность” уровней входного напряжения очень удобна, так как подобные усилители используются обычно в ключевом режиме. То есть в режиме, когда имеется только два состояния, в данном случае выход усилителя может быть либо притянут к плюсу (“вверх”) либо прижат к минусу (“вниз”).
Для схемы на рис.4 действует правило: если на вход подать малое напряжение – то выход будет тянуться к плюсу, если на входе большое напряжение – то выход давится к минусу. То есть напряжение на выходе схемы будет “обратное” входному. Такая функция не всегда удобна и для исправления положения можно применить ещё один транзистор, который бы “переворачивал” полярность сигнала на противоположную.

Усилитель по схеме рис. 5 будет усиливать сигнал без “инверсии”: при подаче на вход напряжения высокого уровня, выход усилителя будет “тянуться наверх”; при подаче низкого уровня – выход “тянется” вниз. То есть выходной сигнал как будто “повторяет” сигнал на входе, а так как это схема усилителя – то маленький ток сигнала будет усилен тысячу раз!

В качестве источника сигнала для такого усилителя может выступать обычный фотосенсор на основе фототранзистора или фотодиода (показан на рис. 5). Именно этот фотосенсор хорошо знаком из серии “Шаг за шагом” в схемах простейших роботов. Соединив этот фотосенсор с усилителем, а к усилителю подключив моторчик – получим универсальную схему, реагирующую на свет! Лишь подключая второй контакт моторчика к плюсу или к минусу питания, можно решать, будет ли он вращаться при освещении или затемнении фотодатчика.
На первый взгляд эта схема слишком сложна и избыточна для такой простой другой функции как фотореле. Но вместе с тем схема максимально универсальна, и этим окупается её сложность. Так поступают, например, при изготовлении микросхем и сложных устройств: какой либо блок можно использовать по-разному, не переделывая его.

Вне зависимости от сложности и вида самого усилителя, в стуктурных схемах усилители принято обозначать пиктограммой треугольника (рис. 6-а), “острие” треугольника всегда указывает в направление выхода. Так же применяется и обозначение треугольника в квадрате (рис. 6-б).

Если имеется ввиду именно усилитель с двухтактным выходом, можно добавить обозначение выходных транзисторов (рис. 6-в). Если усилитель имеет какие либо управляющие выводы, то к условному обозначению подводят линии соединений, которые могут быть подписаны (рис. 6-г).

Такие обозначения можно встретить в структурных схемах различных микросхем-усилителей или микросхем, содержащих усилители. Например, структурная схема хорошо известной микросхемы L293D, приведена на рис. 7. В этой структурной схеме легко можно различить четыре усилителя (помечены жёлтым цветом). То есть всю микросхему L293(D) можно рассматривать просто как четыре усилителя тока, помещённых в общий корпус.

Кроме входных и выходных выводов каждого усилителя тока и ножек для подачи питания, микросхема L293(D) имеет ещё несколько выводов. Назначение этих ножек, а так же варианты подключения нагрузки к этой микросхеме и её управлением можно узнать во второй части статьи “Что внутри L293?! Часть вторая. От усилителя тока к драйверу L293.”.

Смелых и Удачных Экспериментов.

Дополнения и файлы:

Усилители с гальванической связью

Усилители с гальванической связью или усилители постоянного тока используются для усиления низкочастотных сигналов или для усиления сигналов постоянного тока. Усилитель постоянного тока также используется для устранения индуктивных потерь в цепях связи. Усилители постоянного тока применяются в компьютерах, измерительном и тестирующем оборудовании и в промышленной аппаратуре для управления производственными процессами.

Простейший усилитель постоянного тока

Чаще всего используется усилитель с общим эмиттером. Изображенная схема содержит цепь смещения на основе делителя напряжения и эмиттерную цепь обратной связи. В цепях этого типа не используется конденсатор связи. Входной сигнал подается прямо на базу транзистора. Выходной сигнал снимается с коллектора.

Усилитель постоянного тока может обеспечивать усиление как по току, так и по напряжению. Однако, он применяется, главным образом, в качестве усилителя напряжения. Усиление по напряжению одинаково для сигналов постоянного и переменного токов.

В большинстве случаев одного каскада усиления недостаточно. Для получения более высокого усиления требуются два или более каскадов. Соединенные вместе два или более каскадов называются многокаскадным усилителем.

На рисунке изображен двухкаскадный усилитель.

Входной сигнал усиливается первым каскадом. После этого усиленный сигнал поступает на базу транзистора второго каскада. Общее усиление цепи равно произведению коэффициентов усиления по напряжению двух каскадов. Например, если и первый, и второй каскады имеют коэффициент усиления по напряжению равный 10, то общий коэффициент усиления цепи равен 100.

На рисунке изображен усилитель постоянного тока другого типа.

В нем используются транзисторы типов n-p-n и n-p-n. Цепь такого типа называется комплементарным усилителем. Функции этой цепи такие же, как и у цепи, двухкаскадного усилителя. Разница только в том, что транзистор второго каскада p-n-p типа, p-n-p транзистор, перевернут, так что на эмиттер и коллектор подается напряжение смещения правильно.

На рисунке изображены два соединенных вместе транзистора, работающих, как одно целое. Эта цепь называется схемой Дарлингтона.

Транзистор Qt используется для управления проводимостью транзистора Qr. Входной сигнал, поданный на базу транзистора Qx, управляет током базы транзистора Q2. Схема Дарлингтона может быть изготовлена в одном корпусе с тремя выводами: эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). Она используется как простой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления по напряжению.

Основным недостатком многокаскадных усилителей является их высокая температурная нестабильность. В цепях, требующих три или четыре каскада усиления постоянного тока, оконечный каскад может не усиливать исходный сигнал постоянного или переменного тока, так как он будет сильно искажен. Та же самая проблема существует и со схемой Дарлингтона.

В случаях, когда требуется и высокий коэффициент усиления, и высокая температурная стабильность, необходим усилитель другого типа. Это — дифференциальный усилитель

Его особенность в том, что он имеет два отдельных входа и может обеспечить либо один, либо два выходных сигнала. Если сигнал подан на вход транзистора Qt, усиленный сигнал появится между выходом А и землей, как в обычном усилителе. Однако малый сигнал появится также на резисторе R4 и на эмиттере транзистора Q2. Транзистор Q2 работает, как усилитель с общей базой. Усиленный выходной сигнал появится между выходом В и землей. Выходной сигнал с выхода В сдвинут по фазе на 180 градусов по отношению к сигналу на выходе А. Это делает дифференциальный усилитель более универсальным, чем обычный.

Обычно дифференциальный усилитель не используется для получения выходного напряжения между одним из выходов и землей. Выходной сигнал получают между выходом А и выходом В. Поскольку два выходных сигнала сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов по фазе, то между этими точками существует значительное выходное напряжение. Входной сигнал может быть подан на любой вход.

Дифференциальный усилитель обладает высокой температурной стабильностью, так как транзисторы Qt и Q2 расположены близко друг к другу и испытывают одинаковое влияние температуры. Кроме того, коллекторные токи транзисторов Qt и Q2 испытывают одинаковые тенденции к увеличению и уменьшению, так что выходное напряжение остается постоянным.

Дифференциальный усилитель широко используется в интегральных микросхемах и в электронном оборудовании. Он используется для усиления и(или) сравнения амплитуд сигналов как постоянного, так и переменного токов. Дифференциальные усилители можно соединять последовательно для получения более высокого усиления. В некоторых случаях дифференциальный усилитель используется в качестве первого каскада в многокаскадных обычных усилителях. Дифференциальные усилители, благодаря их универсальности и температурной стабильности, являются наиболее важным типом усилителей с гальванической связью.

Как работает усилитель звуковой частоты

Введение

Добрый день уважаемый хабраюзер, я хочу рассказать тебе о основах построения усилителей звуковой частоты. Я думаю эта статья будет интересна тебе если ты никогда не занимался радиоэлектроникой, и конечно же она будет смешна тем кто не расстаётся с паяльником. И поэтому я попытаюсь расказать о данной теме как можно проще и к сожалению опуская некоторые нюансы.

Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.

Резистор

Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление. Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:

Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.

Конденсатор

Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком. Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно.

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость, что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так:

Транзистор

В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы. Транзистор изготавливают из полупроводникового материала. Нужное для нас свойство это материала, — наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n-тип и p-тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом — пустым кружком:

Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор.

Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок):

На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы.

Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор.

Рассмотренный нами транзистор pnp-типа, так как у него две p-зоны и одна n-зона. Так же существуют npn-транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:

Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:

А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.

Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.

Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn-типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.

Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:

Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:


Это есть так называемое искажение типа ступенька.

Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.

А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:

Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:

Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал — нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.

Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:

Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.

И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:

Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.

Исходные данные:

  • U = 12 В — напряжение питания;
  • U бэ

1 В — Напряжение эмиттер-база рабочей точки транзистора;

Выбираем транзистор, для нас подойдёт npn-транзистор 2N2712

  • P max = 200 мВт — максимальная рассеиваемая мощность;
  • I max = 100 мА — максимальный постоянный ток коллектора;
  • U max = 18 В — макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
  • U эб = 5 В — макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
  • h21 = 75-225 — коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение — 75;

  1. Рассчитываем максимальную статическую мощность транзистора, её берут на 20% меньше максимальной рассеиваемой мощности, дабы наш транзистор не работал на пределе своих возможностей:

    P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;

    Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала), не смотря на что на базу не подаётся напряжение через транзистор всё равно в малой степени протекает электрический ток.

    I к0 = P ст.max / U кэ, где U кэ — напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:

    I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;

    Теперь рассчитаем сопротивление нагрузки, изначально у нас был один резистор R1, который выполнял эту роль, но так как мы добавили резистор R4 для увеличения входного сопротивления каскада, теперь сопротивление нагрузки будет складываться из R1 и R4:

    R н = R1 + R4, где R н — общее сопротивление нагрузки;

    Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:

    Рассчитаем сопротивление нагрузки:

    R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;

    Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.

    Теперь найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала:

    U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4) = (UI к0 * R1) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;

    Ток базы управления транзистором:

    I б = I к / h21, где I к — ток коллектора;

    I б = (U / R н) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,07 mA;

    Полный ток базы определяется напряжением смещения на базе, которое устанавливается делителем R2 и R3. Ток задаваемый делителем должен быть в 5-10 раз больше тока управления базы (I б), что бы собственно ток управления базы не влиял на напряжение смещения. Таким образом для значения тока делителя (I дел) принимаем 0,7 mA и рассчитываем R2 и R3:

    R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом

    Теперь рассчитаем напряжение на эмиттере в состоянии покоя транзистора (U э):

    U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В

    Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.

    Рассчитываем полное напряжение на базе (U б) с учётом напряжения смещения (U см = 1В):

    U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В

    Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3:

    R3 = (R2 + R3) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;

    Ближайший номинал резистора 250 Ом;

    R2 = (R2 + R3) — R3 = 1714,3 Ом — 250 Ом = 1464,3 Ом;

    Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.

  2. Конденсаторы С1 и С2 обычно устанавливают не менее 5 мкФ. Ёмкость выбирается такой что бы конденсатор не успевал перезаряжаться.

Заключение

На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.

Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.

Читайте также:  Как выбрать гироскутер для ребенка и взрослого?
Ссылка на основную публикацию