Amplificadores electrónicos en electrónica industrial

Son dispositivos diseñados para amplificar el voltaje, la corriente y la potencia de una señal eléctrica.

El amplificador más simple es un circuito de transistores. El uso de amplificadores se debe al hecho de que, por lo general, las señales eléctricas (voltajes y corrientes) que ingresan a los dispositivos electrónicos son de pequeña amplitud y es necesario aumentarlas al valor necesario suficiente para su uso posterior (conversión, transmisión, suministro de energía a la carga ).

La Figura 1 muestra los dispositivos necesarios para operar el amplificador.

Figura 1 — Entorno del amplificador

La potencia liberada cuando se carga el amplificador es la potencia convertida de su fuente de alimentación y la señal de entrada solo la impulsa. Los amplificadores son alimentados por fuentes de corriente continua.

Por lo general, el amplificador consta de varias etapas de amplificación (Fig. 2). Las primeras etapas de amplificación, diseñadas principalmente para amplificar el voltaje de la señal, se denominan preamplificadores. Sus circuitos están determinados por el tipo de fuente de señal de entrada.

La etapa que sirve para amplificar la potencia de la señal se denomina terminal o salida.Su esquema está determinado por el tipo de carga. Además, el amplificador puede incluir etapas intermedias diseñadas para obtener la amplificación necesaria y (o) formar las características necesarias de la señal amplificada.

Figura 2 — Estructura del amplificador

Clasificación del amplificador:

1) dependiendo del parámetro amplificado, voltaje, corriente, amplificadores de potencia

2) por la naturaleza de las señales amplificadas:

• amplificadores de señales armónicas (continuas);

• amplificadores de señal de pulso (amplificadores digitales).

3) en el rango de frecuencias amplificadas:

• amplificadores de CC;

• amplificadores de CA

• baja frecuencia, alta, ultra alta, etc.

4) por la naturaleza de la respuesta de frecuencia:

• resonante (amplifica las señales en una banda de frecuencia estrecha);

• paso de banda (amplifica una determinada banda de frecuencia);

• banda ancha (amplifica todo el rango de frecuencias).

5) por tipo de elementos de refuerzo:

• de lámparas eléctricas de vacío;

• en dispositivos semiconductores;

• en circuitos integrados.

Al seleccionar un amplificador, salga de los parámetros del amplificador:

• potencia de salida medida en vatios. La potencia de salida varía ampliamente según el propósito del amplificador, por ejemplo, en amplificadores de sonido, desde milivatios en auriculares hasta decenas y cientos de vatios en sistemas de audio.

• Rango de frecuencia, medido en hercios. Por ejemplo, el mismo amplificador de audio generalmente debe proporcionar ganancia en el rango de frecuencia de 20 a 20 000 Hz, y un amplificador de señal de televisión (imagen + sonido) — 20 Hz — 10 MHz y más.

• Distorsión no lineal, medida en porcentaje%. Caracteriza la distorsión de la forma de la señal amplificada. En general, cuanto menor sea un parámetro dado, mejor.

• La eficiencia (relación de eficiencia) se mide en porcentaje%.Muestra la cantidad de energía de la fuente de alimentación que se utiliza para disipar energía en la carga. El hecho es que parte de la potencia de la fuente se desperdicia, en mayor medida se trata de pérdidas de calor: el flujo de corriente siempre provoca el calentamiento del material. Este parámetro es especialmente importante para dispositivos autoalimentados (de acumuladores y baterías).

La figura 3 muestra un circuito de preamplificador de transistor bipolar típico. La señal de entrada proviene de una fuente de voltaje Uin Los condensadores de bloqueo Cp1 y Cp2 pasan la variable ie. señal amplificada y no pasan corriente continua, lo que permite crear modos de funcionamiento independientes para corriente continua en etapas amplificadoras conectadas en serie.

Figura 3 — Diagrama de la etapa amplificadora de un transistor bipolar

Las resistencias Rb1 y Rb2 son el divisor principal que proporciona la corriente de arranque a la base del transistor Ib0, la resistencia Rk proporciona la corriente de arranque al colector Ik0. Estas corrientes se denominan corrientes laminares. En ausencia de una señal de entrada, son constantes. La Figura 4 muestra los diagramas de temporización del amplificador. Un gráfico de tiempo es un cambio en un parámetro a lo largo del tiempo.

Resistor Re proporciona retroalimentación de corriente negativa (NF). La retroalimentación (OC) es la transferencia de una parte de la señal de salida al circuito de entrada del amplificador. Si la señal de entrada y la señal de retroalimentación están en fase opuesta, se dice que la retroalimentación es negativa. OOS reduce la ganancia, pero al mismo tiempo reduce la distorsión armónica y aumenta la estabilidad del amplificador. Se utiliza en casi todos los amplificadores.

La resistencia Rf y el condensador Cf son elementos de filtro.El capacitor Cf forma un circuito de baja resistencia para la componente variable de la corriente consumida por el amplificador desde la fuente Up. Los elementos de filtrado son necesarios si se alimentan varias fuentes amplificadoras desde la fuente.

Cuando se aplica una señal de entrada Uin, la corriente Ib ~ aparece en el circuito de entrada y en la salida Ik ~. La caída de voltaje creada por la corriente Ik ~ a través de la carga Rn será la señal de salida amplificada.

De los diagramas temporales de voltajes y corrientes (Fig. 3) se puede ver que los componentes variables de los voltajes en la entrada Ub ~ y la salida Uc ~ = Uout de la cascada son antifase, es decir la etapa de ganancia del transistor OE cambia (invierte) la fase de la señal de entrada en la dirección opuesta.

Figura 4 — Diagramas de tiempo de corrientes y voltajes en la etapa amplificadora de un transistor bipolar

Un amplificador operacional (OU) es un amplificador de CC/CA con alta ganancia y retroalimentación negativa profunda.

Permite la implementación de una gran cantidad de dispositivos electrónicos, pero tradicionalmente se le llama amplificador.

Podemos decir que los amplificadores operacionales son la columna vertebral de toda la electrónica analógica. El amplio uso de amplificadores operacionales está asociado con su flexibilidad (la capacidad de construir varios dispositivos electrónicos sobre su base, tanto analógicos como pulsados), un amplio rango de frecuencia (amplificación de señales de CC y CA), independencia de los parámetros principales de desestabilización externa (cambio de temperatura, tensión de alimentación, etc.). Se utilizan principalmente amplificadores integrados (IOU).

La presencia de la palabra "operacional" en el nombre se explica por la posibilidad de que estos amplificadores puedan realizar una serie de operaciones matemáticas: suma, resta, diferenciación, integración, etc.

La Figura 5 muestra el UGO IEE.El amplificador tiene dos entradas: directa e inversa y una salida. Cuando la señal de entrada se aplica a una entrada no inversora (directa), la señal de salida tiene la misma polaridad (fase) — Figura 5, a.

Figura 5 — Designaciones gráficas convencionales de amplificadores operacionales

Al usar la entrada inversora, la fase de la señal de salida se desplazará 180 ° en relación con la fase de la señal de entrada (polaridad invertida) — Figura 6, b. Las entradas y salidas inversas están rodeadas.

Figura 6 — Diagramas de tiempo del amplificador operacional: a) — sin inversión, b) — con inversión

Cuando se aplica un voltaje al papel tapiz, el voltaje de salida es proporcional a la diferencia entre los voltajes de entrada. Estos. la señal de entrada inversora se acepta con un signo «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), donde K es la ganancia.

Figura 7 — Característica de amplitud del amplificador operacional

El amplificador operacional está alimentado por una fuente bipolar, generalmente +15 V y -15 V. También se permite una fuente de alimentación unipolar. El resto de las conclusiones del IOU se indican a medida que se utilizan.

El funcionamiento del amplificador operacional se explica por la característica de amplitud - Figura 8. En la característica, se puede distinguir una sección lineal, en la que el voltaje de salida aumenta proporcionalmente con un aumento en el voltaje de entrada, y dos secciones de saturación U + sat y U- sat. A un cierto valor de la tensión de entrada Uin.max, el amplificador entra en modo de saturación, en el que la tensión de salida asume un valor máximo (en un valor de Up = 15 V, aproximadamente Uns = 13 V) y permanece invariable con un valor adicional. aumento de la señal de entrada. El modo de saturación se utiliza en dispositivos de pulso basados ​​en amplificadores operacionales.

Los amplificadores de potencia se utilizan en las etapas finales de amplificación y están diseñados para crear la potencia requerida en la carga.

Su característica principal es el funcionamiento con niveles de señal de entrada elevados y corrientes de salida elevadas, lo que requiere el uso de potentes amplificadores.

Los amplificadores pueden operar en los modos A, AB, B, C y D.

En el modo A, la corriente de salida del dispositivo amplificador (transistor o tubo electrónico) está abierta durante todo el período de la señal amplificada (es decir, constantemente) y la corriente de salida fluye a través de ella. Los amplificadores de potencia de Clase A introducen una distorsión mínima en la señal amplificada, pero tienen una eficiencia muy baja.

En el modo B, la corriente de salida se divide en dos partes, un amplificador amplifica la media onda positiva de la señal, el segundo negativo. Como resultado, mayor eficiencia que en el modo A, pero también grandes distorsiones no lineales que ocurren en el momento de cambiar los transistores.

El modo AB repite el modo B, pero en el momento de la transición de una media onda a la otra, ambos transistores están abiertos, lo que permite reducir las distorsiones manteniendo una alta eficiencia. El modo AB es el más común para los amplificadores analógicos.

El modo C se utiliza en casos en los que no hay distorsión de la forma de onda durante la amplificación, porque la corriente de salida del amplificador fluye durante menos de medio período, lo que, por supuesto, provoca grandes distorsiones.

El modo D utiliza la conversión de señales de entrada en pulsos, amplifica esos pulsos y luego los vuelve a convertir.En este caso, los transistores de salida funcionan en modo clave (el transistor está completamente cerrado o completamente abierto), lo que acerca la eficiencia del amplificador al 100% (en modo AV, la eficiencia no supera el 50%). Los amplificadores que funcionan en modo D se denominan amplificadores digitales.

En un circuito push-pull, la amplificación (modos B y AB) ocurre en dos ciclos de reloj. Durante el primer medio ciclo, la señal de entrada es amplificada por un transistor y el otro se cierra durante este medio ciclo o parte de él. En el segundo medio ciclo, la señal es amplificada por el segundo transistor mientras que el primero está apagado.

El circuito deslizante del amplificador de transistor se muestra en la Figura 8. La etapa de transistor VT3 proporciona un impulso a los transistores de salida VT1 y VT2. Las resistencias R1 y R2 establecen el modo constante de operación de los transistores.

Con la llegada de una media onda negativa Uin, la corriente del colector VT3 aumenta, lo que conduce a un aumento del voltaje en las bases de los transistores VT1 y VT2. En este caso, VT2 se cierra y, a través de VT1, la corriente del colector pasa por el circuito: + Up, transición K-E VT1, C2 (durante la carga), Rn, caso.

Cuando llega una media onda positiva, Uin VT3 se cierra, lo que conduce a una disminución del voltaje en las bases de los transistores VT1 y VT2 — VT1 se cierra y, a través de VT2, la corriente del colector fluye a través del circuito: + C2, transición EK VT2 , caso, Rn, -C2. T

Esto asegura que la corriente de ambas semiondas del voltaje de entrada fluya a través de la carga.

Figura 8 — Esquema de un amplificador de potencia

En el modo D, los amplificadores funcionan con modulación de ancho de pulso (PWM)… La señal de entrada modula pulsos rectangularesmodificando su duración.En este caso, la señal se convierte en pulsos rectangulares de la misma amplitud, cuya duración es proporcional al valor de la señal en cada momento.

El tren de pulsos se alimenta a los transistores para su amplificación. Debido a que la señal amplificada es pulsada, el transistor opera en modo clave. La operación en modo clave está asociada con pérdidas mínimas, ya que el transistor está cerrado o completamente abierto (tiene una resistencia mínima).Después de la amplificación, el componente de baja frecuencia (señal original amplificada) se extrae de la señal usando un filtro de paso bajo ( LPF) y alimentado a la carga.

Figura 9 — Diagrama de bloques de un amplificador de clase D

Los amplificadores de clase D se utilizan en sistemas de audio para portátiles, comunicaciones móviles, dispositivos de control de motores y más.

Los amplificadores modernos se caracterizan por el uso generalizado de circuitos integrados.