הבנת מעגלי מגברים

באופן כללי, ניתן להגדיר מגבר כמעגל שנועד להגביר אות קלט שהופעל בהספק נמוך לאות פלט הספק גבוה, לפי הדירוג שצוין של הרכיבים.

למרות, הפונקציה הבסיסית נותרה זהה, ניתן לסווג מגברים לקטגוריות שונות בהתאם לעיצובם ולתצורותיהם.

מעגלים להגברת תשומות לוגיות

יתכן שנתקלת במגברי טרנזיסטור בודדים אשר מוגדרים לפעול ולהגביר לוגיקה של אות נמוך ממכשירי חישת כניסה כגון LDRs, פוטודיודות לאחר מכן, הפלט ממגברים אלה משמש למיתוג a סלטה או ממסר ON / OFF בתגובה לאותות ממכשירי החיישן.

יתכן שראיתם גם מגברים זעירים המשמשים להגברה מראש של קלט מוסיקה או שמע, או להפעלת מנורת LED.
כל אלה מגברים קטנים מסווגים כמגברי אות קטנים.

סוגי מגברים

בעיקר משולבים מעגלי מגבר להגברת תדר מוסיקה כך שקלט המוזיקה הקטנה המוזן מוגבר לקפלים רבים, בדרך כלל פי 100 עד 1000 ומועתק ברמקול.

בהתאם למתח ההספק או לדירוג ההספק שלהם, מעגלים כאלה עשויים להיות בעלי עיצובים שנעים בין מגברי אות קטנים המבוססים על אופמפ ועד מגברי אות גדולים המכונים גם מגברי הספק. מגברים אלה מסווגים טכנית על פי עקרונות העבודה שלהם, שלבי המעגל ואופן הפעולה שהם עשויים להיות מוגדרים לעיבוד פונקציית ההגברה.

הטבלה הבאה מספקת לנו את פרטי הסיווג של המגברים על פי המפרט הטכני ועקרון ההפעלה שלהם:

בתכנון מגבר בסיסי אנו מגלים שהוא כולל בעיקר כמה שלבים עם רשתות של טרנזיסטורים דו קוטביים או BJT, טרנזיסטורי אפקט שדה (FET) או מגברים תפעוליים.

ניתן היה לראות בלוקים או מודולים של מגברים כאלה שיש בהם כמה מסופים להזנת אות הכניסה, וזוג מסופים נוסף ביציאה להשגת האות המוגבר ברמקול מחובר.

אחד המסופים מתוך שני אלה הוא מסופי הקרקע וניתן היה לראותם כקו משותף על פני קלט ושלבי הפלט.

שלוש מאפיינים של מגבר

שלושת המאפיינים החשובים שיש למגבר אידיאלי הם:

• התנגדות קלט (רין)
• התנגדות פלט (נתיב)
• רווח (A) שהוא טווח ההגברה של המגבר.

הבנת עובד מגבר אידיאלי

ההבדל באות המוגברת בין הפלט לקלט נקרא כעלייה של המגבר. זהו הגודל או הכמות שבאמצעותה המגבר מסוגל להגביר את אות הקלט על גבי מסופי הפלט שלו.

קחו לדוגמא, אם מגבר מדורג כדי לעבד אות קלט של 1 וולט לאות מוגבר של 50 וולט, היינו אומרים שלמגבר יש רווח של 50, זה פשוט כמו זה.
שיפור זה של אות קלט נמוך לאות פלט גבוה יותר נקרא לְהַשִׂיג של מגבר. לחלופין, ניתן להבין זאת כעלייה של אות הקלט בגורם 50.

יחס רווח לפיכך, הרווח של מגבר הוא בעצם היחס בין ערכי היציאה והקלט של רמות האות, או פשוט כוח המוצא חלקי הספק הקלט, ומיוחס על ידי האות 'A' המסמנת גם את כוח ההגברה של המגבר.

סוגי רווחי מגבר הסוגים השונים של רווחי המגבר עשויים להיות מסווגים כ:

1. מתח מתח (כבוי)
2. רווח נוכחי (Ai)
3. רווח כוח (Ap)

נוסחאות לדוגמא לחישוב רווחי המגבר בהתאם לשלושת סוגי הרווחים לעיל, ניתן ללמוד את הנוסחאות לחישוב אלה מהדוגמאות הבאות:

1. מתח רווח (Av) = מתח יציאה / מתח כניסה = יציאה / Vin
2. רווח זרם (Ai) = זרם פלט / זרם קלט = Iout / Iin
3. רווח כוח (Ap) = Av.x.A אני

לחישוב רווח הספק, לחלופין תוכלו גם להשתמש בנוסחה:
רווח כוח (Ap) = הספק יציאה / הספק כניסה = אאוט / Ain

חשוב לציין כי כתב המשנה p, v, i המשמשים לחישוב הכוח מוקצים לזיהוי הסוג הספציפי של רווח האות עליו עובדים.

הבעת דציבלים

תוכלו למצוא שיטה אחרת לביטוי רווח הספק של מגבר, שהיא בדציבלים או (dB).
המידה או הכמות Bel (B) היא יחידה לוגריתמית (בסיס 10) שאין לה יחידת מדידה.
עם זאת דציבל יכול להיות יחידה גדולה מדי לשימוש מעשי, לכן אנו משתמשים בדציבל הגרסה המונמכת (dB) לצורך חישובי מגברים.
להלן מספר נוסחאות שניתן להשתמש בהן למדידת רווח המגבר בדציבלים:

1. עלייה במתח ב- dB: כבוי = 20 * יומן (כבוי)
2. רווח נוכחי ב- dB: ai = 20 * log (Ai)
3. רווח כוח ב- dB: ap = 10 * log (Ap)

כמה עובדות על מדידת dB
חשוב לציין כי רווח הספק DC של המגבר הוא פי 10 מהיומן המשותף של יחס הפלט / קלט שלו, ואילו רווחי הזרם והמתח הם פי 20 מהיומן הנפוץ של היחסים שלהם.

זה מרמז כי מכיוון שמדובר בסולם יומן, לא ניתן לראות רווח של 20dB כפעמיים מ- 10dB, בגלל מאפיין המדידה הלא-ליניארי של סולמות היומן.

כאשר רווח נמדד ב- dB, ערכים חיוביים מסמנים רווח של המגבר ואילו ערך dB שלילי מציין אובדן רווח של מגבר.

לדוגמא אם מזוהה רווח + 3dB זה מציין רווח פי 2 או x2 של פלט המגבר המסוים.

לעומת זאת, אם התוצאה היא -3dB, מציין כי למגבר יש הפסד של 50% רווח או מדד x0.5 של אובדן ברווח שלו. זה מכונה גם נקודת חצי כוח שמשמעותה -3dB נמוכה מההספק המרבי המושג, ביחס ל- 0dB שהיא הפלט המרבי האפשרי מהמגבר.

חישוב מגברים

חשב את המתח, הזרם ורווח ההספק של מגבר עם המפרט הבא: אות כניסה = 10mV @ 1mA Signal Output = 1V @ 10mA. בנוסף גלה את הרווח של המגבר באמצעות ערכי דציבלים (dB).

פִּתָרוֹן:

על ידי שימוש בנוסחאות שנלמדו לעיל, אנו יכולים להעריך את סוגי הרווחים השונים הקשורים למגבר, בהתאם למפרט פלט הקלט ביד:

מתח רווח (Av) = מתח יציאה / מתח כניסה = יציאה / Vin = 1 / 0.01 = 100
רווח זרם (Ai) = זרם פלט / זרם קלט = Iout / Iin = 10/1 = 10
רווח כוח (Ap) = ממוצע x א אני = 100 x 10 = 1000

כדי לקבל את התוצאות בדציבלים אנו מיישמים את הנוסחאות המתאימות כמפורט להלן:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

חלוקות מגבר

מגברי איתות קטנים: ביחס למפרט ההספק והרווח המתח של מגבר, יתאפשר לנו לחלק אותם בכמה קטגוריות מגוונות.

הסוג הראשון מכונה מגבר האות הקטן. מגברי אות קטנים אלה משמשים בדרך כלל בשלבי מגבר קדם, מגברי מכשור וכו '.

סוגים אלה של מגברים נוצרים לטיפול ברמות אות זעירות בכניסות שלהם, בטווח של כמה מיקרו וולט, כגון מהתקני חיישנים או כניסות אותות שמע קטנות.

מגברי איתות גדולים: הסוג השני של המגברים נקרא כמגברי איתות גדולים, וכפי שהשם מרמז אלה משמשים ביישומי מגברי כוח להשגת טווחי הגברה עצומים. במגברים אלה אות הקלט יחסית גדול יותר בעוצמה, כך שניתן יהיה להגביר אותם באופן משמעותי לצורך שכפול והנעתם לרמקולים חזקים.

כיצד עובדים מגברי כוח

מכיוון שמגברי אות קטנים מיועדים לעיבוד מתח כניסה קטן, אלה מכונים מגברי אות קטנים. עם זאת, כאשר מגבר נדרש לעבוד עם יישומי זרם מיתוג גבוהים ביציאות שלהם, כמו הפעלת מנוע או הפעלת תת-וופרים, מגבר כוח הופך להיות בלתי נמנע.

לרוב, מגברי הספק משמשים כמגברי שמע להנעת רמקולים גדולים ולהשגת מגברים ענקיים ויציאות נפח.

מגבר כוח דורש כוח DC חיצוני לצורך עבודתו, ועוצמת DC זו מנוצלת להשגת הגברת הספק גבוהה המיועדת בתפוקתם. הספק ה- DC מופק בדרך כלל באמצעות ספקי כוח מתח גבוה בזרם גבוה דרך שנאים או יחידות מבוססות SMPS.

למרות שמגברי כוח מסוגלים להגביר את אות הקלט התחתון לאותות פלט גבוהים, ההליך למעשה אינו יעיל במיוחד. הסיבה לכך היא שבתהליך זה מבוזבזת כמות ניכרת של DC בצורת פיזור חום.

אנו יודעים שמגבר אידיאלי יפיק פלט כמעט שווה להכוח הנצרך, וכתוצאה מכך יעילות של 100%. עם זאת, למעשה זה נראה מרוחק למדי וייתכן שלא יהיה בר ביצוע, בגלל הפסדי הספק DC טבועים ממכשירי החשמל בצורה של חום.

יעילות מגבר מהשיקולים לעיל אנו יכולים לבטא יעילות של מגבר כ:

יעילות = מגבר תפוקת כוח / מגבר צריכת זרם = מגב / פין

מגבר אידיאלי

בהתייחס לדיון לעיל, יתכן ויתאר לנו את המאפיינים העיקריים של מגבר אידיאלי. הם מפורטים באופן ספציפי להלן:

הרווח (A) של מגבר אידיאלי צריך להיות קבוע ללא קשר לאות קלט משתנה.

1. הרווח נשאר קבוע ללא קשר לתדירות אות הכניסה, ומאפשר להגברת הפלט להישאר ללא השפעה.
2. הפלט של המגבר נקי מכל סוג של רעש במהלך תהליך ההגברה, נהפוך הוא, הוא משלב תכונת הפחתת רעש המבטלת כל רעש אפשרי המוצג דרך מקור הקלט.
3. זה לא מושפע מהשינויים בטמפרטורת הסביבה או בטמפרטורת האטמוספירה.
4. לשימוש ממושך יש השפעה מינימלית או ללא השפעה על ביצועי המגבר, והוא נשאר עקבי.

סיווג מגברים אלקטרוניים

בין אם מדובר במגבר מתח ובין אם במגבר הספק, אלה מסווגים על פי מאפייני אות הכניסה והפלט שלהם. זה נעשה על ידי ניתוח זרימת הזרם ביחס לאות אות הכניסה והזמן הנדרש להגעת הפלט.

על פי תצורת המעגל שלהם, ניתן לסווג מגברי כוח לפי סדר אלפביתי. הם מוקצים עם מחלקות מבצעיות שונות כגון:

מחלקה 'A'
מחלקה 'B'
מחלקה 'C'
מחלקה 'AB' וכן הלאה.

אלו עשויים להיות בעלי מאפיינים הנעים מתגובת פלט כמעט לינארית, אך יעילות נמוכה למדי לתגובת פלט לא לינארית עם יעילות גבוהה.

לא ניתן להבחין באף אחת מסוגי המגברים הללו כעניים יותר או טובים יותר זה מזה, מכיוון שלכל אחד מהם יש אזור יישום ספציפי משלו בהתאם לדרישה.

יתכן שתמצא יעילות המרה אופטימלית לכל אחד מאלה, ואת הפופולריות שלהם ניתן לזהות בסדר הבא:

מגברים מסוג A: היעילות נמוכה בדרך כלל פחות מ 40%, אך עשויה להראות פלט אות לינארי משופר.

מגברים מסוג 'B': שיעור היעילות עשוי להיות כפול מזה של Class A, כמעט בסביבות 70%, בשל העובדה שרק המכשירים הפעילים של המגבר צורכים כוח וגורמים לשימוש של 50% בלבד בהספק.

מגברים מסוג 'AB': מגברים בקטגוריה זו הם בעלי רמת יעילות איפשהו בין זו של סוג A לכיתה B, אך שכפול האות נמוך יותר בהשוואה למחלקה A.

מגברים מסוג 'C': אלה נחשבים ליעילים במיוחד מבחינת צריכת החשמל, אך שכפול האות הוא הגרוע ביותר עם שיבוש רב וגורם לשכפול גרוע מאוד של מאפייני אות הכניסה.

כיצד עובדים מגברים מסוג A:

מגברים מסוג A כוללים טרנזיסטורים מוטים באופן אידיאלי באזור הפעיל, מה שמאפשר להגביר במדויק את אות הכניסה ביציאה.

בשל תכונת הטיה מושלמת זו, הטרנזיסטור לעולם אינו מורשה להיסחף לעבר אזורי הרוויה המנותקים שלהם, וכתוצאה מכך הגברת האות מותאמת כראוי ומרוכזת בין המגבלות העליונות והתחתונות של האות, כמוצג בהמשך. תמונה:

בתצורת מחלקה A, קבוצות טרנזיסטורים זהים מוחלים על פני שני חצאי צורת הגל המוצא. ובהתאם לסוג ההטייה שהוא משתמש בה, טרנזיסטורי הספק המוצא תמיד מועברים במצב מופעל, ללא קשר אם אות הכניסה מוחל או לא.

מכיוון שכך, מגברים מסוג A מקבלים יעילות ירודה ביותר מבחינת צריכת החשמל, שכן אספקת החשמל בפועל נפגעת בגלל בזבוז עודף באמצעות פיזור המכשירים.

במצב הסביר לעיל, ניתן לראות מגברי כיתות עם טרנזיסטורי הספק יציאה מחוממים תמיד גם בהיעדר אות כניסה.

גם כשאין אות קלט, ה- DC (Ic) מאספקת החשמל מותר לזרום דרך טרנזיסטורי הכוח, זה עשוי להיות שווה לזרם הזורם דרך הרמקול כאשר אות הכניסה היה קיים. זה מוליד טרנזיסטורים 'חמים' מתמשכים ובזבוז כוח.

הפעלה של מגבר Class B

בניגוד לתצורה של מגבר A בכיתה התלויים בטרנזיסטורי הספק בודדים, בכיתה B משתמשים בזוג BJT משלים על כל חצי חלקי המעגל. אלה יכולים להיות בצורה של NPN / PNP, או N-channel mosfet / P-channel mosfet).

כאן, אחד הטרנזיסטורים מותר להתנהל בתגובה למחצית צורת הגל האחת של אות הכניסה, ואילו הטרנזיסטור השני מטפל במחצית השנייה של צורת הגל.

זה מבטיח שכל טרנזיסטור בזוג מתנהל במשך מחצית הזמן באזור הפעיל ומחצית מהזמן באזור המנותק, ובכך מאפשר מעורבות של 50% בלבד בהגברה של האות.

שלא כמו מגברים מסוג A, במגברי Class B טרנזיסטורי הכוח אינם מוטים עם DC ישיר, במקום זאת התצורה מבטיחה שהם מתנהלים רק בזמן שאות הקלט עולה גבוה יותר ממתח הפולט הבסיסי, שיכול להיות סביב 0.6 וולט עבור BJT של סיליקון.

זה מרמז שכשאין אות קלט, ה- BJT נשארים כבויים וזרם המוצא הוא אפס. ובשל כך רק 50% מאות הקלט מורשים להיכנס לפלט בכל מקרה שמאפשר קצב יעילות טוב בהרבה עבור מגברים אלה. ניתן לראות את התוצאה בתרשים הבא:

מכיוון שאין מעורבות ישירה של DC לצורך הטיית טרנזיסטורי הכוח במגברים מסוג B, על מנת ליזום את ההולכה בתגובה לכל מחזור צורת הגל של מחצית +/-, זה הופך להיות הכרחי לבסיס / הפולט שלהם. Vbe לרכוש פוטנציאל גבוה מ- 0.6 וולט (ערך הטיה בסיסי של BJT)

בשל העובדה הנ'ל, משתמע מכך שבעוד שצורת גל הפלט נמוכה מסימן ה -0.6 וולט, לא ניתן להגבירו ולשכפלו.

זה מוליד אזור מעוות של צורת גל הפלט, בדיוק בתקופה שאחד מה- BJT מכובה וממתין שהאחר יופעל מחדש.

התוצאה היא שקטע קטן של צורת הגל נתון לעיוות קל במהלך המעבר לאורך תקופת המעבר או מעבר למעבר האפס, בדיוק כאשר המעבר בין טרנזיסטור אחד למשנהו מתרחש על פני זוגות משלימים.

הפעלה של מגבר Class AB

מגבר Class AB בנוי באמצעות מאפייני f blend ממתכני מעגלים A ו- Class B ומכאן השם Class AB.

למרות שתכנון Class AB עובד גם עם זוג BJTs משלימים, שלב הפלט מבטיח כי הטיה של BJTs הכוח נשלטת לסגור את סף הניתוק, בהיעדר אות קלט.

במצב זה, ברגע שחוש אות קלט, הטרנזיסטורים מתנגדים לפעול כרגיל באזור הפעיל שלהם ובכך מעכבים כל אפשרות של עיוות צולב, שבדרך כלל נפוץ בתצורות Class B. עם זאת, יכול להיות שיש כמות קלה של זרם אספן המוליך על פני ה- BJT, הכמות עשויה להיחשב זניחה בהשוואה לעיצוב Class A.

מגבר מסוג AB Class מציג קצב יעילות משופר בהרבה ותגובה ליניארית לעומת המקביל Class A.

Class AB מגבר יציאת צורת גל

מגבר Class הוא פרמטר חשוב אשר תלוי באופן הטרנזיסטורים מוטים דרך המשרעת של אות הכניסה, ליישום תהליך ההגברה.

זה מסתמך על כמה מגודל צורת הגל של אות הקלט משמש לטרנזיסטורים להתנהלות, וכן גורם היעילות, הנקבע על ידי כמות הכוח המשמשת בפועל לאספקת הפלט ו / או מבוזבזת באמצעות פיזור.

ביחס לגורמים אלה נוכל סוף סוף ליצור דוח השוואה המציג את ההבדלים בין סוגים שונים של מגברים, כמפורט בטבלה הבאה.

אז נוכל לבצע השוואה בין הסוגים הנפוצים ביותר של סיווגי מגברים בטבלה הבאה.

שיעורי מגבר כוח

מחשבות אחרונות

אם מגבר אינו מתוכנן כראוי, כמו למשל עיצוב מגבר מסוג A, עשוי לדרוש כיור קירור משמעותי על מכשירי החשמל, יחד עם מאווררי קירור לפעולות. עיצובים כאלה יזדקקו גם לכניסות אספקת חשמל גדולות יותר לפיצוי כמויות הכוח העצומות שמבזבזות בחום. כל החסרונות הללו יכולים להפוך מגברים כאלה ליעילים מאוד, מה שבתורו עלול לגרום להידרדרות הדרגתית של המכשירים ולבסוף לתקלות.

לכן, מומלץ ללכת על מגבר Class B שתוכנן עם יעילות גבוהה יותר של כ- 70% לעומת 40% של מגבר Class A. אמר כי מגבר Class A עשוי להבטיח תגובה ליניארית יותר עם ההגברה שלו ותגובת תדרים רחבה יותר, אם כי זה מגיע למחיר של בזבוז כוח משמעותי.