מגברים אלקטרוניים באלקטרוניקה תעשייתית

אלו הם מכשירים שנועדו להגביר את המתח, הזרם והכוח של אות חשמלי.

המגבר הפשוט ביותר הוא מעגל טרנזיסטור. השימוש במגברים נובע מהעובדה שבדרך כלל האותות החשמליים (מתחים וזרמים) הנכנסים למכשירים אלקטרוניים הם בעלי משרעת קטנה ויש צורך להגדיל אותם לערך הדרוש המספיק לשימוש נוסף (המרה, שידור, אספקת חשמל לעומס). ).

איור 1 מציג את המכשירים הדרושים להפעלת המגבר.

איור 1 - סביבת מגבר

ההספק המשתחרר כאשר המגבר נטען הוא ההספק המומר של ספק הכוח שלו ואות הכניסה רק מניע אותו. המגברים מופעלים על ידי מקורות זרם ישר.

בדרך כלל, המגבר מורכב ממספר שלבי הגברה (איור 2). השלבים הראשונים של ההגברה, שנועדו בעיקר להגביר את מתח האות, נקראים קדם מגברים. המעגלים שלהם נקבעים לפי סוג מקור אות הכניסה.

השלב המשמש להגברת עוצמת האות נקרא טרמינל או פלט.התוכנית שלהם נקבעת לפי סוג העומס. כמו כן, המגבר עשוי לכלול שלבי ביניים שנועדו להשיג את ההגברה הדרושה ו(או) ליצור את המאפיינים הדרושים של האות המוגבר.

איור 2 - מבנה המגבר

סיווג מגבר:

1) בהתאם לפרמטר המוגבר, מתח, זרם, מגברי הספק

2) לפי אופי האותות המוגברים:

• מגברים של אותות הרמוניים (רציפים);

• מגברי אותות פולסים (מגברים דיגיטליים).

3) בטווח התדרים המוגברים:

• מגברים DC;

• מגברי AC

• תדר נמוך, גבוה, גבוה במיוחד וכו'.

4) לפי אופי תגובת התדר:

• תהודה (הגברת אותות בפס תדרים צר);

• פס פס (מגביר רצועת תדרים מסוימת);

• פס רחב (מגביר את כל טווח התדרים).

5) לפי סוג רכיבי חיזוק:

• של מנורות ואקום חשמליות;

• על התקני מוליכים למחצה;

• על מעגלים משולבים.

בעת בחירת מגבר, צא מפרמטרי המגבר:

• הספק תפוקה נמדד בוואט. הספק המוצא משתנה מאוד בהתאם לייעודו של המגבר, למשל במגברי סאונד - ממיליוואט באוזניות ועד עשרות ומאות וואט במערכות שמע.

• טווח תדרים, נמדד בהרץ. לדוגמה, אותו מגבר שמע צריך לספק בדרך כלל רווח בטווח התדרים 20-20,000 הרץ, ומגבר אותות טלוויזיה (תמונה + צליל) - 20 הרץ - 10 מגה-הרץ ומעלה.

• עיוות לא ליניארי, נמדד באחוזים%. הוא מאפיין את עיוות הצורה של האות המוגבר. באופן כללי, ככל שפרמטר נתון נמוך יותר, כך ייטב.

• יעילות (יחס יעילות) נמדדת באחוזים%.מראה כמה כוח מאספקת הכוח משמש לפיזור כוח לתוך העומס. העובדה היא שחלק מהכוח של המקור מתבזבז, במידה רבה יותר אלה הם הפסדי חום - זרימת הזרם תמיד גורמת לחימום החומר. פרמטר זה חשוב במיוחד עבור מכשירים עם הפעלה עצמית (מאברים וסוללות).

איור 3 מציג מעגל קדם מגבר טרנזיסטור דו-קוטבי טיפוסי. אות הכניסה מגיע ממקור מתח Uin קבלי החסימה Cp1 ו-Cp2 מעבירים את המשתנה כלומר. אות מוגבר ואינם מעבירים זרם ישר, מה שמאפשר ליצור מצבי פעולה עצמאיים לזרם ישר בשלבי מגבר מחוברים בסדרה.

איור 3 - תרשים של שלב המגבר של טרנזיסטור דו קוטבי

הנגדים Rb1 ו-Rb2 הם המחלק הראשי המספק את זרם ההתחלה לבסיס הטרנזיסטור Ib0, הנגד Rk מספק את זרם ההתחלה לקולט Ik0. זרמים אלו נקראים זרמים למינרים. בהיעדר אות קלט, הם קבועים. איור 4 מציג את דיאגרמות התזמון של המגבר. עלילת זמן היא שינוי בפרמטר לאורך זמן.

הנגד Re מספק משוב זרם שלילי (NF). משוב (OC) הוא העברה של חלק מאותות המוצא למעגל הכניסה של המגבר. אם אות הכניסה ואות המשוב הפוכים בפאזה, אומרים שהמשוב שלילי. OOS מפחית את הרווח, אך במקביל מפחית עיוות הרמוני ומגביר את יציבות המגבר. הוא משמש כמעט בכל המגברים.

הנגד Rf והקבל Cf הם אלמנטים מסננים.הקבל Cf יוצר מעגל התנגדות נמוכה עבור הרכיב המשתנה של הזרם הנצרך על ידי המגבר מהמקור Up. רכיבי סינון נחוצים אם מספר מקורות מגבר מוזנים מהמקור.

כאשר מופעל אות כניסה Uin, הזרם Ib ~ מופיע במעגל הקלט, ובמוצא Ik ~. מפל המתח שנוצר על ידי הזרם Ik ~ דרך העומס Rn יהיה אות המוצא המוגבר.

מהדיאגרמות הזמניות של המתחים והזרמים (איור 3) ניתן לראות שהרכיבים המשתנים של המתחים בכניסה Ub ~ והמוצא Uc ~ = Uout של המפל הם אנטי-פאזיים, כלומר. שלב ההגבר של הטרנזיסטור OE משנה (הופך) את הפאזה של אות הכניסה בכיוון ההפוך.

איור 4 - דיאגרמות תזמון של זרמים ומתחים בשלב המגבר של טרנזיסטור דו קוטבי

מגבר תפעולי (OU) הוא מגבר DC/AC עם רווח גבוה ומשוב שלילי עמוק.

הוא מאפשר יישום של מספר רב של מכשירים אלקטרוניים, אך נקרא באופן מסורתי מגבר.

אנו יכולים לומר שמגברים תפעוליים הם עמוד השדרה של כל האלקטרוניקה האנלוגית. השימוש הרחב במגברים תפעוליים קשור לגמישות שלהם (היכולת לבנות מכשירים אלקטרוניים שונים על בסיסם, אנלוגיים ופולסים כאחד), טווח תדרים רחב (הגברה של אותות DC ו-AC), אי תלות של הפרמטרים העיקריים מפני ערעור יציבות חיצוני. גורמים (שינוי טמפרטורה, מתח אספקה ​​וכו'). משתמשים בעיקר במגברים משולבים (IOUs).

נוכחות המילה "מבצעית" בשם מוסברת באפשרות שמגברים אלו יכולים לבצע מספר פעולות מתמטיות - חיבור, חיסור, בידול, אינטגרציה וכו'.

איור 5 מציג את UGO IEE.למגבר יש שתי כניסות - קדימה ואחורה ויציאה אחת. כאשר אות הקלט מופעל על קלט שאינו מתהפך (ישיר), לאות המוצא יש אותה קוטביות (פאזה) - איור 5, א.

איור 5 - ייעודים גרפיים קונבנציונליים של מגברים תפעוליים

בעת שימוש בכניסה ההפוכה, הפאזה של אות המוצא יוסט ב-180 מעלות ביחס לפאזה של אות הקלט (היפוך הקוטביות) - איור 6, ב. כניסות ויציאות הפוכה מוקפות בעיגול.

איור 6 - דיאגרמות זמן של מגבר ההפעלה: א) - לא הופך, ב) - הפוך

כאשר מתח מופעל על הטפט, מתח המוצא פרופורציונלי להפרש בין מתחי הכניסה. אלה. אות הכניסה ההפוכה מתקבל עם סימן «-«. Uout = K (Uneinv - Uinv), כאשר K הוא הרווח.

איור 7 - משרעת האופיינית למגבר ההפעלה

מגבר ההפעלה מופעל על ידי מקור דו-קוטבי, בדרך כלל +15V ו-15V. מותר גם אספקת חשמל חד-קוטבית. שאר מסקנות IOU מסומנות תוך כדי השימוש בהן.

פעולת המגבר מוסברת על ידי מאפיין המשרעת - איור 8. על המאפיין ניתן להבחין בחתך ליניארי, בו מתח המוצא גדל באופן פרופורציונלי עם עלייה במתח הכניסה, ושני קטעים של רוויה U + ישב ו- U- ישב. בערך מסוים של מתח הכניסה Uin.max, המגבר עובר למצב רוויה, שבו מתח המוצא מקבל ערך מרבי (בערך של Up = 15 V, בערך Uns = 13 V) ונשאר ללא שינוי עם ערך נוסף עלייה באות הכניסה. מצב הרוויה משמש בהתקני פולסים המבוססים על מגברים תפעוליים.

מגברי הספק משמשים בשלבים האחרונים של ההגברה ונועדו ליצור את הכוח הנדרש בעומס.

התכונה העיקרית שלהם היא פעולה ברמות אות כניסה גבוהות וזרמי פלט גבוהים, מה שמחייב שימוש במגברים חזקים.

מגברים יכולים לפעול במצבי A, AB, B, C ו-D.

במצב A, זרם המוצא של מכשיר המגבר (טרנזיסטור או צינור אלקטרוני) פתוח במשך כל תקופת האות המוגבר (כלומר, כל הזמן) וזרם המוצא זורם דרכו. מגברי הספק Class A מכניסים עיוות מינימלי לאות המוגבר, אך הם בעלי יעילות נמוכה מאוד.

במצב B, זרם המוצא מחולק לשני חלקים, מגבר אחד מגביר את חצי הגל החיובי של האות, השני שלילי. כתוצאה מכך, יעילות גבוהה יותר מאשר במצב A, אך גם עיוותים לא ליניאריים גדולים המתרחשים ברגע של מיתוג טרנזיסטורים.

מצב AB חוזר על מצב B, אך ברגע המעבר מחצי גל אחד לשני שני הטרנזיסטורים פתוחים, מה שמאפשר להפחית עיוותים תוך שמירה על יעילות גבוהה. מצב AB הוא הנפוץ ביותר עבור מגברים אנלוגיים.

מצב C משמש במקרים בהם אין עיוות של צורת הגל במהלך ההגברה, מכיוון שזרם המוצא של המגבר זורם במשך פחות מחצי תקופה, מה שכמובן מוביל לעיוותים גדולים.

מצב D משתמש בהמרת אותות כניסה לפולסים, הגברה של הפולסים האלה ואז המרתם חזרה.במקרה זה, טרנזיסטורי המוצא עובדים במצב מפתח (הטרנזיסטור סגור לחלוטין או פתוח לחלוטין), מה שמקרב את יעילות המגבר ל-100% (במצב AV, היעילות אינה עולה על 50%). מגברים הפועלים במצב D נקראים מגברים דיגיטליים.

במעגל push-pull, הגברה (מצבים B ו-AB) מתרחשת בשני מחזורי שעון. במהלך חצי המחזור הראשון, אות הכניסה מוגבר על ידי טרנזיסטור אחד, והשני נסגר במהלך חצי מחזור זה או חלק ממנו. בחצי המחזור השני, האות מוגבר על ידי הטרנזיסטור השני בעוד שהראשון כבוי.

מעגל ההזזה של מגבר הטרנזיסטור מוצג באיור 8. שלב הטרנזיסטור VT3 מספק דחיפה לטרנזיסטורי המוצא VT1 ו-VT2. נגדים R1 ו-R2 קובעים את מצב הפעולה הקבוע של הטרנזיסטורים.

עם הגעת Uin שלילי של חצי גל, זרם האספן VT3 גדל, מה שמוביל לעלייה במתח בבסיסי הטרנזיסטורים VT1 ו-VT2. במקרה זה, VT2 נסגר ודרך VT1 זרם האספן עובר במעגל: + למעלה, מעבר K-E VT1, C2 (במהלך טעינה), Rn, מארז.

כאשר מגיע חצי גל חיובי, Uin VT3 נסגר, מה שמוביל לירידה במתח בבסיסי הטרנזיסטורים VT1 ו-VT2 — VT1 נסגר, ודרך VT2 זורם זרם הקולט במעגל: + C2, מעבר EK VT2 , מקרה, Rn, -C2 . ט

זה מבטיח שהזרם של שני חצאי הגלים של מתח הכניסה זורם דרך העומס.

איור 8 - סכמטי של מגבר כוח

במצב D, המגברים פועלים עם אפנון רוחב דופק (PWM)… אות הקלט מתאפנן פולסים מלבנייםעל ידי שינוי משך הזמן שלהם.במקרה זה, האות מומר לפולסים מלבניים של אותה משרעת, שמשך הזמן הוא פרופורציונלי לערך האות בכל רגע בזמן.

רכבת הפולסים מוזנת לטרנזיסטור/ים לצורך הגברה. מכיוון שהאות המוגבר פועם, הטרנזיסטור פועל במצב מפתח. פעולה במצב מפתח קשורה להפסדים מינימליים, שכן הטרנזיסטור סגור או פתוח לחלוטין (בעל התנגדות מינימלית). לאחר ההגברה, רכיב התדר הנמוך (אות מקורי מוגבר) מופק מהאות באמצעות מסנן נמוך ( LPF) ומוזן לעומס.

איור 9 - דיאגרמת בלוקים של מגבר מסוג D

מגברי Class D משמשים במערכות שמע למחשב נייד, תקשורת ניידת, התקני בקרת מנוע ועוד.

מגברים מודרניים מאופיינים בשימוש נרחב במעגלים משולבים.