Amplificadores eletrônicos em eletrônica industrial

São dispositivos projetados para amplificar a tensão, a corrente e a potência de um sinal elétrico.

O amplificador mais simples é um circuito de transistor. O uso de amplificadores se deve ao fato de que geralmente os sinais elétricos (tensões e correntes) que entram nos dispositivos eletrônicos são de pequena amplitude e é necessário aumentá-los para o valor necessário suficiente para uso posterior (conversão, transmissão, fornecimento de energia à carga ).

A Figura 1 mostra os dispositivos necessários para operar o amplificador.

Figura 1 — Ambiente do amplificador

A potência liberada quando o amplificador é carregado é a potência convertida de sua fonte de alimentação e o sinal de entrada apenas a conduz. Os amplificadores são alimentados por fontes de corrente contínua.

Normalmente, o amplificador consiste em vários estágios de amplificação (Fig. 2). Os primeiros estágios de amplificação, projetados principalmente para amplificar a tensão do sinal, são chamados de pré-amplificadores. Seus circuitos são determinados pelo tipo de fonte de sinal de entrada.

O estágio que serve para amplificar a potência do sinal é chamado de terminal ou saída.Seu esquema é determinado pelo tipo de carga. Além disso, o amplificador pode incluir estágios intermediários projetados para obter a amplificação necessária e (ou) formar as características necessárias do sinal amplificado.

Figura 2 — Estrutura do amplificador

Classificação do amplificador:

1) dependendo do parâmetro amplificado, tensão, corrente, amplificadores de potência

2) pela natureza dos sinais amplificados:

• amplificadores de sinais harmônicos (contínuos);

• amplificadores de sinal de pulso (amplificadores digitais).

3) na faixa de frequências amplificadas:

• amplificadores DC;

• amplificadores AC

• baixa frequência, alta, ultra alta etc.

4) pela natureza da resposta de frequência:

• ressonante (amplifica sinais em uma banda de frequência estreita);

• passa-banda (amplifica uma determinada banda de frequência);

• banda larga (amplifica toda a faixa de frequência).

5) por tipo de elementos de reforço:

• de lâmpadas elétricas a vácuo;

• em dispositivos semicondutores;

• em circuitos integrados.

Ao selecionar um amplificador, saia dos parâmetros do amplificador:

• potência de saída medida em watts. A potência de saída varia muito dependendo da finalidade do amplificador, por exemplo, em amplificadores de som — de miliwatts em fones de ouvido a dezenas e centenas de watts em sistemas de áudio.

• Faixa de frequência, medida em hertz. Por exemplo, o mesmo amplificador de áudio geralmente deve fornecer ganho na faixa de frequência de 20 a 20.000 Hz e um amplificador de sinal de televisão (imagem + som) - 20 Hz - 10 MHz e superior.

• Distorção não linear, medida em %%. Caracteriza a distorção da forma do sinal amplificado. Geralmente, quanto menor um determinado parâmetro, melhor.

• A eficiência (taxa de eficiência) é medida em %%.Mostra quanta energia da fonte de alimentação está sendo usada para dissipar energia na carga. O fato é que parte da energia da fonte é desperdiçada, em maior medida, são perdas de calor - o fluxo de corrente sempre causa aquecimento do material. Este parâmetro é especialmente importante para dispositivos autoalimentados (de acumuladores e baterias).

A Figura 3 mostra um circuito de pré-amplificador de transistor bipolar típico. O sinal de entrada vem de uma fonte de tensão Uin. Os capacitores de bloqueio Cp1 e Cp2 passam a variável ie. sinal amplificado e não passa corrente contínua, o que possibilita a criação de modos de operação independentes para corrente contínua em estágios amplificadores conectados em série.

Figura 3 — Diagrama do estágio amplificador de um transistor bipolar

Os resistores Rb1 e Rb2 são o divisor principal que fornece a corrente de partida para a base do transistor Ib0, o resistor Rk fornece a corrente de partida para o coletor Ik0. Essas correntes são chamadas de correntes laminares. Na ausência de um sinal de entrada, eles são constantes. A Figura 4 mostra os diagramas de temporização do amplificador. Um gráfico de tempo é uma mudança em um parâmetro ao longo do tempo.

O resistor Re fornece feedback de corrente negativa (NF). Feedback (OC) é a transferência de uma parte do sinal de saída para o circuito de entrada do amplificador. Se o sinal de entrada e o sinal de feedback forem opostos em fase, o feedback é considerado negativo. OOS reduz o ganho, mas ao mesmo tempo reduz a distorção harmônica e aumenta a estabilidade do amplificador. É usado em quase todos os amplificadores.

O resistor Rf e o capacitor Cf são elementos filtrantes.O capacitor Cf forma um circuito de baixa resistência para a componente variável da corrente consumida pelo amplificador da fonte Up. Elementos de filtragem são necessários se várias fontes amplificadoras forem alimentadas a partir da fonte.

Quando um sinal de entrada Uin é aplicado, a corrente Ib ~ aparece no circuito de entrada e na saída Ik ~. A queda de tensão criada pela corrente Ik ~ através da carga Rn será o sinal de saída amplificado.

A partir dos diagramas temporários de tensões e correntes (Fig. 3), pode-se ver que os componentes variáveis ​​​​das tensões na entrada Ub ~ e na saída Uc ~ = Ufora da cascata são antifase, ou seja, o estágio de ganho do transistor OE muda (inverte) a fase do sinal de entrada na direção oposta.

Figura 4 — Diagramas de temporização de correntes e tensões no estágio amplificador de um transistor bipolar

Um amplificador operacional (OU) é um amplificador DC/AC com alto ganho e realimentação negativa profunda.

Permite a implementação de um grande número de dispositivos eletrônicos, mas é tradicionalmente chamado de amplificador.

Podemos dizer que os amplificadores operacionais são a espinha dorsal de toda a eletrônica analógica. A ampla utilização de amplificadores operacionais está associada à sua flexibilidade (capacidade de construir vários dispositivos eletrônicos em sua base, analógicos e pulsados), ampla faixa de frequência (amplificação de sinais DC e AC), independência dos principais parâmetros de desestabilizadores externos fatores (mudança de temperatura, tensão de alimentação, etc.). Amplificadores integrados (IOUs) são usados ​​principalmente.

A presença da palavra "operacional" no nome é explicada pela possibilidade de esses amplificadores realizarem uma série de operações matemáticas - adição, subtração, diferenciação, integração, etc.

A Figura 5 mostra o UGO IEE.O amplificador tem duas entradas - direta e reversa e uma saída. Quando o sinal de entrada é aplicado a uma entrada não inversora (direta), o sinal de saída tem a mesma polaridade (fase) — Figura 5, a.

Figura 5 — Designações gráficas convencionais de amplificadores operacionais

Ao usar a entrada inversora, a fase do sinal de saída será deslocada em 180° em relação à fase do sinal de entrada (polaridade invertida) — Figura 6, b. As entradas e saídas reversas estão circuladas.

Figura 6 — Diagramas de tempo do amplificador operacional: a) — não inversor, b) — inversor

Quando uma tensão é aplicada ao papel de parede, a tensão de saída é proporcional à diferença entre as tensões de entrada. Esses. o sinal de entrada inversora é aceito com um sinal «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), onde K é o ganho.

Figura 7 — Característica de amplitude do amplificador operacional

O amplificador operacional é alimentado por uma fonte bipolar, geralmente +15 V e -15 V. Uma fonte de alimentação unipolar também é permitida. O resto das conclusões do IOU são indicadas à medida que são usadas.

A operação do amplificador operacional é explicada pela característica de amplitude - Figura 8. Na característica, pode-se distinguir uma seção linear, na qual a tensão de saída aumenta proporcionalmente com o aumento da tensão de entrada e duas seções de saturação U + sat e U- sat. A um determinado valor da tensão de entrada Uin.max, o amplificador entra em modo de saturação, no qual a tensão de saída assume um valor máximo (no valor Up = 15 V, aproximadamente Uns = 13 V) e permanece inalterada com mais aumento do sinal de entrada. O modo de saturação é usado em dispositivos de pulso baseados em amplificadores operacionais.

Amplificadores de potência são usados ​​nos estágios finais de amplificação e são projetados para criar a potência necessária na carga.

Sua principal característica é a operação em altos níveis de sinal de entrada e altas correntes de saída, o que requer o uso de amplificadores potentes.

Os amplificadores podem operar nos modos A, AB, B, C e D.

No modo A, a corrente de saída do dispositivo amplificador (transistor ou tubo eletrônico) está aberta durante todo o período do sinal amplificado (ou seja, constantemente) e a corrente de saída flui através dele. Amplificadores de potência Classe A introduzem distorção mínima no sinal amplificado, mas têm eficiência muito baixa.

No modo B, a corrente de saída é dividida em duas partes, um amplificador amplifica a meia onda positiva do sinal, o segundo negativo. Como resultado, maior eficiência do que no modo A, mas também grandes distorções não lineares que ocorrem no momento da comutação dos transistores.

O modo AB repete o modo B, mas no momento da transição de uma meia onda para a outra, ambos os transistores estão abertos, o que permite reduzir as distorções mantendo alta eficiência. O modo AB é o mais comum para amplificadores analógicos.

O modo C é usado nos casos em que não há distorção da forma de onda durante a amplificação, porque a corrente de saída do amplificador flui por menos de meio período, o que, obviamente, leva a grandes distorções.

O modo D usa a conversão de sinais de entrada em pulsos, amplificando esses pulsos e depois convertendo-os de volta.Nesse caso, os transistores de saída funcionam no modo chave (o transistor está totalmente fechado ou totalmente aberto), o que aproxima a eficiência do amplificador de 100% (no modo AV, a eficiência não ultrapassa 50%). Amplificadores operando no modo D são chamados de amplificadores digitais.

Em um circuito push-pull, a amplificação (modos B e AB) ocorre em dois ciclos de clock. Durante o primeiro meio ciclo, o sinal de entrada é amplificado por um transistor e o outro é fechado durante esse meio ciclo ou parte dele. No segundo semiciclo, o sinal é amplificado pelo segundo transistor enquanto o primeiro é desligado.

O circuito deslizante do amplificador de transistor é mostrado na Figura 8. O estágio do transistor VT3 fornece um impulso para os transistores de saída VT1 e VT2. Os resistores R1 e R2 definem o modo constante de operação dos transistores.

Com a chegada de uma meia onda negativa Uin, a corrente do coletor VT3 aumenta, o que leva a um aumento da tensão nas bases dos transistores VT1 e VT2. Nesse caso, o VT2 fecha e através do VT1 a corrente do coletor passa pelo circuito: + Up, transição K-E VT1, C2 (durante o carregamento), Rn, caso.

Quando chega uma meia onda positiva, Uin VT3 fecha, o que leva a uma diminuição da tensão nas bases dos transistores VT1 e VT2 - VT1 fecha e, através de VT2, a corrente do coletor flui pelo circuito: + C2, transição EK VT2 , caso, Rn, -C2 . T

Isso garante que a corrente de ambas as meias-ondas da tensão de entrada flua através da carga.

Figura 8 — Esquema de um amplificador de potência

No modo D, os amplificadores operam com modulação por largura de pulso (PWM)… O sinal de entrada modula pulsos retangularesalterando sua duração.Nesse caso, o sinal é convertido em pulsos retangulares de mesma amplitude, cuja duração é proporcional ao valor do sinal em qualquer momento.

O trem de pulso é alimentado ao(s) transistor(es) para amplificação. Como o sinal amplificado é pulsado, o transistor opera no modo chave. A operação no modo chave está associada a perdas mínimas, pois o transistor está fechado ou totalmente aberto (tem resistência mínima). Após a amplificação, o componente de baixa frequência (sinal original amplificado) é extraído do sinal usando um filtro passa-baixa ( LPF) e alimentados à carga.

Figura 9 — Diagrama de blocos de um amplificador classe D

Os amplificadores Classe D são usados ​​em sistemas de áudio de laptops, comunicações móveis, dispositivos de controle de motores e muito mais.

Os amplificadores modernos são caracterizados pelo uso generalizado de circuitos integrados.