Transcript
Dr Nemes József rősítő áramkörök, jellemzőik követelménymodul megnevezése: lektronikai áramkörök tervezése, dokumentálása követelménymodul száma: tartalomelem azonosító száma és célcsoportja: SzT ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK STFLVTÉS MNKHLYZT z erősítő áramkörök, jellemzőik részn megismertük az elektronikus erősítő alapkapcsolásokat z az egy fokozat azonban az esetek döntő részén nem elég nagy erősítést biztosít számunkra Így, a készítetünk egy angfrekvenciás erősítő kapcsolást egy tranzisztorral egy fejallgatóoz, akkor tapasztalatjuk, ogy a fejallgató angereje nagyon gyenge Milyen leetőségeink vannak, ogy az erősítésünk növekedjen? SZKM NFOMÁÓTTLOM Többfokozatú erősítők Visszacsatolások z erősítők frekvenciafüggése Nagyjelű erősítők ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK Többfokozatú erősítők gyakorlati alkalmazások nagy részén egyetlen erősítőfokozat erősítése nem elegendő Többfokozatú erősítőt kell alkalmazni akkor is, a egy fokozat erősítése elegendő, de a meneti vagy a meneti ellenállás értéke nem megfelelő Két erősítőfokozat összekapcsolását csatolásnak nevezzük satolásfajták: csatolás; Közvetlen csatolás (emittercsatolás); Közvetlen csatolás (kollektorkapcsolás); 4 Transzformátoros csatolás csatolás ábra -csatolású erősítő kondenzátor egyenáramú szempontból elválasztja a fokozatokat egymástól Minden egyes fokozat munkapontját saját bázisosztó állatja Hátránya: az erősítés frekvenciafüggő, mivel a fokozat meneti ellenállásával felüláteresztő szűrőt alkot lőnye: a munkapontok egymástól függetlenek ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK Közvetlen csatolás (emittercsatolás) T bázis-előfeszültsége a két emitter-ellenállás feszültségének különbsége Hátránya: T munkapontja T-től függ lőnye: frekvenciafüggetlen csatolás, egyenfeszültség erősítéssel T s meneti ellenállású kollektor-kapcsolásban működik Közvetlen csatolás (kollektorkapcsolás) ábra Közvetlen csatolású erősítő T bázis-előfeszültsége (5 V) és (6 V) különbsége Mindkét tranzisztor emitterkapcsolásban működik Hátránya: T munkapontja függ T-től T emitter-ellenállása nagy (feszültségveszteség) lőnye: frekvenciafüggetlen csatolás, egyenfeszültség-erősítéssel ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK Transzformátoros csatolás ábra Közvetlen csatolás (kollektorapcsolás) 4 ábra Transzformátoros csatolású erősítő transzformátor egyenáramú szempontból elválasztja egymástól a fokozatokat Hátránya: a transzformátor drága, nagy és neéz vasmag nemlineáris mágnesezési görbéje miatt az erősítendő szinuszos jel alakja eltorzul, nagyfrekvencián pedig a transzformátor frekvenciafüggése miatt csökken az átvitel, vagyis a menőjel nagysága 4 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK lőnye: teljesítményillesztés leetséges munkapontok függetlenek egymástól redő erősítés láncba kapcsolt erősítőfokozatok eredő erősítése az egyes fokozatok erősítésének szorzata: e n z eredő erősítés d-n fejezett értéke: d e d d d z eredő meneti ellenállás az első fokozat meneti ellenállása, a meneti ellenállás pedig az utolsó fokozat meneti ellenállása lesz e ; e utolsó Visszacsatolások Ha egy erősítő meneti feszültségének egy részét visszavezetjük a menetre, akkor visszacsatolásról szélünk atáslánc elemei: 5 ábra visszacsatolás atáslánca d n - z X mennyiségek a jelek, leetnek feszültségek vagy áramok z X meneti jel, az X v visszacsatolt jel, az X vezérlőjel X - z erősítő, amelynek átvitele X - visszacsatoló álózat, amelynek feladata a meneti jel egy részének X v visszajuttatása a menetre visszacsatolási tényező X X - visszacsatolással módosított jellemzőkkel rendelkező erősítő átvitele v X 5 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK Ha a visszavezetett feszültség a meneten lévővel azonos fázisban van, akkor pozitív visszacsatolás van, a ellenfázisban van, akkor negatív visszacsatolásról szélünk Negatív visszacsatolás Negatív visszacsatolás esetén a feszültségerősítés sebb, mert a bázis-emitter feszültség és a visszacsatolt feszültség eredője sebb, mint a meneti feszültség, vezérlőjel X X X v, így az erősítő meneti jele, ennek erősítésszerese, X ( X X ) X X X X X visszacsatolt átvitel: v v X X v visszacsatolás mértéke: + mennyiség, amely az erősítés csökkenését atározza meg Hurokerősítés: H= Negatív visszacsatolás esetén a torzítási tényező az erősítéssel azonos arányban csökken Negatív visszacsatolás típusai: - Áram-visszacsatolás, - feszültség-visszacsatolás z áram-visszacsatolást az emitterkörn elelyezett ellenálláson átfolyó emitteráram ozza létre váltakozó áramú visszacsatolással együtt egyenáramú visszacsatolás is létrejön, ezáltal a munkapont stabilizálódik Ha a váltakozó áramú visszacsatolást sebbre kívánják állítani, mint az egyenáramú visszacsatolást, akkor az emitterkör elyezett ellenállást részn vagy teljesen át kell idalni egy kondenzátorral teljes átidaláskor, feltéve, ogy X, a váltakozó áramú visszacsatolás megszűnik 6 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK 6 ábra Negatív áram-visszacsatolás negatív áram-visszacsatolást soros visszacsatolásnak is nevezik, mert a menetre adott feszültség és a visszacsatolt feszültség sorba kapcsolódik z eredő vezérlőfeszültség a visszacsatolás miatt sebb, mint a meneti feszültség záltal a meneti ellenállás látszólag megnő soros negatív visszacsatolás speciális esete a kollektorkapcsolás Feszültség-visszacsatolásnál a meneti feszültséget egy vagy két erősítőfokozattal előbbre vezetik vissza z egy erősítőfokozattal való visszavezetést páruzamos visszacsatolásnak is nevezik, mert a menetre adott feszültség és a visszacsatolt feszültség páruzamosan kapcsolódik zért a meneti áram egy része átfolyik a visszacsatoló ágon is, és a meneti ellenállás látszólag lecsökken 7 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK 7 ábra Negatív feszültség-visszacsatolás visszacsatolt fokozat sávszélessége a visszacsatolás atására megnő z alsó és felső atárfrekvencia közelén az erősítés csökken, ezáltal a visszacsatolt feszültség is sebb nnek következtén a atárfrekvenciák tolódnak és az átviteli tartományban a csillapítási torzítások sebk 8 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK 8 ábra rősítő átviteli karakterisztikája negatív visszacsatolással és anélkül negatív visszacsatolás csökkenti a lineáris és nemlineáris torzítást Pozitív visszacsatolás Pozitív visszacsatolásnál a vezérlőjel értékét a visszacsatolt és a meneti jel összege adja: X =X +X v Teát a visszacsatolt átvitel értéke: v H=* urokerősítés nagyságától függően árom eset leetséges: - H lyenkor a visszacsatolt átvitel nagyobb lesz, mint az eredeti átvitel - H eset fizikailag azt jelenti, ogy a visszacsatolt jel nagyobb, mint amekkora a meneti jel létreozásáoz szükséges lenne nnek következménye állandóan növekvő meneti feszültség - H =, akkor a visszacsatolás mértéke éppen nulla, vagyis matematikailag a visszacsatolt átvitel végtelen z erősítőnek erre az állapotára azt mondjuk, ogy az erősítő gerjed z nem megengedett, így az erősítő nem asználató z erősítéstecnikában pozitív visszacsatolást nem asználunk Összefoglalás visszacsatoláscélja, ogy az erősítő tulajdonságait az erősítő felasználási céljának megfelelően módosítsa 9 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK leggyakrabban előforduló célok: - Nagy meneti ellenállású erősítő készítése - Kis menetű ellenállású erősítő készítése - Nagy meneti és s meneti ellenállású erősítő készítése - Nagy feszültségerősítést, nagy meneti és s meneti ellenállás megvalósítása z erősítők frekvenciafüggése z erősítés változása sfrekvencián közös emitteres erősítő alapkapcsolásokban sfrekvenciás tartományban a csatolókondenzátorok és az emitterkondenzátor okoz frekvenciafüggést és fázistolást csatolókondenzátorok atásának vizsgálata sfrekvenciás elyettesítőkép alapján történik 9 ábra közös emitteres alapkapcsolás sfrekvenciás elyettesítő képe z erősítő meneti körén a csatolókondenzátor, a meneti ellenállás és a generátor-ellenállás soros -tagot alkot meneti körn a csatolókondenzátor, a meneti ellenállás és a terelés alkot soros -tagot z alapján a meneti kör atárfrekvenciája: f g meneti kör atárfrekvenciája: f t 0 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK Mindkét atárfrekvencián külön-külön az átvitel éppen d-lel csökken 0 ábra csatolókondenzátorok atása atárfrekvenciánál sebb frekvenciákon mindkét -tag 0d/dekád értékkel változtatja az erősítő erősítését z -tagok egyenként +45 o -os fázistolást okoznak atárfrekvenciájukon az erősítő eredeti fázistolásáoz képest atárfrekvenciák környezetén a fázistolás változása 45 o /dekád, a változás -tagonként maximálisan +90 o z alsó atárfrekvencia csökkentése érdekén leetőleg nagy csatolókondenzátort és nagy ellenállást kell alkalmazni ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK z emitterkondenzátor az emitter-ellenállással páruzamos -tagot alkot frekvencia csökkenésével a kapacitív reaktancia egyre nő, egészen s frekvenciákon olyan nagy értékűvé válik, ogy szakadásnak tentető az ellenállás mellett lyenkor teát az emitter-ellenállás nincs rövidre zárva váltakozó áramú szempontból z a frekvencia, amely alatt ez igaz, az f emitterköri atárfrekvencia, amelynek értéke f z emitterköri atárfrekvencia alatt az erősítő egy soros, negatív áram-visszacsatolással rendelkező kapcsolás, amelynek erősítése uv u z f frekvencia mellett, az erősítés 0 d/dekád értékkel növekszik, addig, amíg eléri a közepes frekvenciákon érvényes értéket ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK ábra z emitterkondenzátor miatti frekvenciafüggés z eez tartozó frekvencia az f törésponti frekvencia, amelynek értéke f f u uv páruzamos -tag miatt a fázistolás az f frekvencián -45 o, csökkentve a frekvenciát 45o/dekáddal, maximálisan 90 o -os fázistolást okozva z f frekvencia környezetén a fázistolás változása ellentétes irányú közös emitteres erősítő erősítésének sfrekvenciás változását a csatolókondenzátorok és az emitterkondenzátor együttesen atározzák meg négy atárfrekvencia közül a legnagyobb az erősítő alsó atárfrekvenciája ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK z erősítés változása nagyfrekvencián s- és közepes frekvenciák tartományában a tranzisztorok elektródái között meglévő kapacitások reaktanciája olyan nagy, ogy szakadásnak tentető, ezért az erősítő működését nem folyásolja Nagyfrekvenciás tartományban a reaktancia egyre csökken, ezért a tranzisztort vezérlő meneti váltakozó áram és a meneti áram egy része ezeken a kapacitásokon folyik el sökken ezért a tranzisztort ténylegesen vezérlő áram nagysága és a terelésre jutó áram nagysága is z elektródakapacitásokon kívül folyásolják az erősítő működését az áramkörök megépítésekor jelentkező szerelés és szórt kapacitások, valamint a terelő-ellenállás mellett jelentkező esetleges kapacitás zek együttes atását a meneten jelentkező t terelőkapacitással vesszük figyelem z elektródakapacitások és a terelőkapacitás jelenléte miatt változnak a tranzisztorral felépített erősítők jellemzői z a frekvencia, amely felett ezek a változások már számottevőek, az erősítő felső atárfrekvenciája változások vizsgálatáoz a felső atárfrekvencia környezetén, ill felette, a tranzisztorok nagyfrekvenciás elyettesítő képét asználjuk ábra közös emitteres kapcsolás nagyfrekvenciás elyettesítő képe meneti körn a és M Miller-kapacitásból számítató meneti kapacitással páruzamosan kapcsolódnak az g,, és ellenállások, ezért a meneti kör atárfrekvenciája: f M g aol és meneti kör atárfrekvenciája a elyettesítő kép alapján: f t t aol és 4 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK Mindkét atárfrekvencia felett az erősítés külön-külön 0 d/dekáddal csökken fázistolás mindkét atárfrekvencián külön-külön az eredetiez képest -45 o -kal változik, környezetén 45 o /dekáddal csökken, maximálisan 90 o -kal z erősítő felső atárfrekvenciája a - és meneti atárfrekvencia közül a sebbik z erősítők sávszélessége, szélessávú erősítők z erősítők s- és nagyfrekvenciás tartományban jelentkező frekvenciafüggés együttesen figyelem véve megatározató az a frekvenciatartomány, amelyen lül az erősítés mértéke frekvenciafüggetlen zt a frekvenciatartományt az erősítő sávszélességének nevezzük, és -vel jelöljük, és az eredményt Hz-n kapjuk f f f a közepes frekvenciákoz viszonyítva a atárfrekvenciákon a mért erősítés - d-lel csökken Viszonyszámban fejezve az erősítés -ed részével 0,707 szeresére csökken z erősítő fázistolása a közepes frekvenciákon mérető fázistolásoz képest 45 o -kal változik Sávszélesség növelése kompenzálással Kompenzálással az alsó, ill a felső atárfrekvenciákon jelentkező erősítéscsökkenést egyenlítjük, az adott leetséges atárok között 5 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK ábra Kompenzálás sfrekvencián K kompenzáló kapacitás páruzamosan kapcsolódik az K ellenállással váltakozó áramú szempontból két kompenzáló elem értéke olyan, ogy az erősítő frekvenciafüggetlen tartományában a K rövidre zárja váltakozó áramú szempontból K -t, így az nem folyásolja az erősítő tulajdonságait z alsó atárfrekvencia alatt azonban a frekvencia csökkenésével egyre inkább nő az általa képviselt reaktancia z páruzamosan kapcsolódva az K -val egy Z K impedanciát képvisel z K munkaellenállás sorba kapcsolódó Z K növeli az erősítő erősítését, mert a munkaellenállás értékével arányosan változik az erősítés is Mivel a változást -tag ( K, K ) ozza létre, ezért a változás mértéke dekádonként 0 d frekvencia csökkenésével addig nő az erősítés, amíg a kapacitív reaktancia olyan nagy lesz, ogy a páruzamos kapacitás miatt Z K K állandó z a frekvencia lesz az f ak kompenzált alsó atárfrekvencia, amelyen ez következik 6 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK Nagyfrekvenciás kompenzálás 4 ábra Nagyfrekvenciás kompenzálás kompenzáló induktivitás páruzamosan kapcsolódik a tranzisztor kapacitásaiból származó meneti kapacitással és a következő fokozat meneti kapacitásával, mint t terelő kapacitással, t és L K elemek páruzamos rezgőkört alkotnak Helyesen megválasztva L K értékét, a rezgőkör átviteli jelleggörbéjének kezdeti szakasza éppen egyenlíti az eredeti f f frekvencián kezdődő erősítéscsökkenést rezonancia L K -val történő elyes megválasztása mellett a jó kompenzálás feltétele, ogy a rezgőkör jósági tényezője is megfelelő legyen z optimális jósági tényezőnél nagyobb túlkompenzálást okoz, a sebl pedig nem érető el a legnagyobb felső atárfrekvencia 7 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK 4 Nagyjelű erősítők Feladata: a terelő-ellenállásra a leető legnagyobb feszültséget, vagy teljesítményt adja le nnek megfelelően a nagyjelű erősítők két fajtája a nagyjelű feszültségerősítők és a teljesítményerősítő Jellemzőjük, ogy a felasznált tranzisztorok vezérlésére nem a munkapont s környezetén történik, anem igény vesszük a teljes vezérlési tartományt nagyjelű vezérlés miatt a tranzisztor már nem tentető lineáris erősítőelemnek, teát nem elyettesítető paraméteres elyettesítő képével Nagyjelű feszültségerősítők tranzisztorok vezérlése s kollektoráram mellett olyan nagy meneti feszültséggel történik, amely a terelésre jutó kollektor-emitter feszültséget a teljes vezérlési tartományba változtatja s kollektoráram miatt a terelésre jutó teljesítmény csi, a feszültség viszont a leető legnagyobb z ilyen erősítőket asználunk az oszcilloszkópokban a katódsugárcsövek eltérítő lemezeinek vezérlésére, a televíziók képcsövének vezérlésére és ilyen erősítőket találunk az integrált műveleti erősítőkn meneti fokozatként Teljesítményerősítők nnak érdekén, ogy a terelő-ellenállásra a leető legnagyobb teljesítményt jusson, a munkapont elyes megválasztásával a maximális vezéreletőséget a tranzisztor kollektor árama és kollektor-emitter feszültsége esetén is biztosítani kell oz, ogy a tranzisztor által előállított teljesítmény teljes egészén eljusson a terelésre, a terelést illeszteni kell az erősítőöz nagyjelű vezérlés miatt a tranzisztor jelleggörbéit már nem tentetjük lineárisnak, ezért a meneti jel torzított lesz munkapont-állításánál ezért a maximális meneti teljesítmény elérése mellett törekedni kell a minimális torzításra is teljesítményerősítők a tápegységből felvett egyenáramú teljesítményből a vezérlés atására váltakozó áramú teljesítményt állítanak elő teljesítményerősítő atásfoka az erősítő által szolgáltatott P meneti teljesítmény és a tápegységből felvett P f egyenáramú teljesítmény ányadosa P 00 % P f tápegységből felvett, de meneti teljesítményként nem asznosított teljesítmény a tranzisztoron ővé alakul, disszipálódik disszipációs teljesítmény: P P P d f 8 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK 5 ábra osztályú munkapont 6 ábra osztályú munkapont 9 ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK megismert jellemzők értékének mindegyike attól függ, ogy a jelleggörbén ol választjuk meg a munkapontot munkapont elyétől függően a teljesítményerősítőket,, és osztályba soroljuk z, a és az osztályú erősítőket legtöbbször angerősítőként asználjuk, meneti jelük angfrekvenciás szinuszos jel, terelő-ellenállásuk pedig angszóró osztályú erősítők elsősorban a nagyteljesítményű adórendezésekn asználatosak 7 ábra osztályú munkapont 0 8 ábra osztályú munkapont ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK llenütemű kapcsolások Feladata: a asznos teljesítmény növelése, ill a atásfok javítása Megfelelő méretezéssel nemlineáris torzításuk sebb, mint az osztályú végfokozatoké tranzisztor munkaegyenesén felvett munkapont elyzetétől függő atásfok főleg a telepes üzemű készülékeknél fontos szempont Vezérlés atására mindkét tranzisztoron egy félperiódusnak megfelelő áram folyik, amelyek max középértéke: z erősítő vezérlése asználat közn a vezérlés nélküli állapottól a maximális vezéreletőség atáráig változat, ezért az éppen aktuális vezérlés jellemzésére célszerű vezetni a vezérlési tényezőt ν vezérlési tényező a mindenkori u meneti feszültség és a maximális vezérlésez tartozó u max meneti feszültség ányadosa u u max tápegységből felvett teljesítmény a két tranzisztorra együttesen: max P f T Ha nem vezéreljük a kapcsolást (ν=0), akkor P f =0 meneti teljesítmény a tranzisztorok áramainak és feszültségeinek effektív értékéből számítató, mindkét mennyiség tényleges értékét függővé téve a vezérlés nagyságától P max max T max osztályú erősítő atásfoka: P T max P f 4 T max Maximális vezérlésnél a fejezés szerint, a osztályú erősítő atásfoka 785%-os teljes vezérlésnél sebb meneti jel esetén a atásfok arányosan csökken disszipációs teljesítmény: ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK P P D D Pf P T max T max T max, tranzisztoron létrejövő disszipáció a ν = 06 (60%-os) vezérlés mellett a legnagyobb z ellenütemű osztályú végfokozatok vezérlés nélkül nem vesznek fel egyenáramú teljesítményt Hatásfokuk teljes vezérlés esetén megközelítik a 70%-ot ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK TNLÁSÁNYÍTÓ z a tananyagelem elméletigényes gyakorlat z a tananyagelem igényli az előismereteket lyenek az - elektrotecnikai alapfogalmak, - passzív és aktív áramköri alkatrészek, - a félvezető áramköri elemek, félvezető diódák, tranzisztorok, - az elektronikai alapáramkörök ismerete kétpólusok, négypólusok, - erősítő alapkapcsolások, - elektronikai áramkörök szerelési tecnológiái z egyes fogalmak szorosan épülnek egymásra z elektrotecnikai alapok ismerete nélkül nem lesz értető az anyag z a tananyagelem elméletigényes gyakorlattal sajátítató el z alapelvek nagyon fontosak, de nem érnek semmit sem, a nem leet azt a gyakorlatban is próbálni tananyag-vázlat megmutatja azt a négy feladatcsoportot, amelyet végre kell ajtani a tananyag elsajátításáoz - Többfokozatú erősítők, - Visszacsatolások, - z erősítők frekvenciafüggése, - Nagyjelű erősítők tananyagelem feldolgozása során asználja a következő elektronikus eléretőséget! ttp://eszeu/ejegyzet/ejegyzet/orlyg/kerettml ttp://wwwelektroncsou/cikkekpp ezt az oldalt annak célszerű tanulmányozni, a nem félvezető alapú, anem elektroncsőből építendő erősítők érdekelnek Nagyfrekvenciás angolt erősítőkről a ttp://wwwpuskasu/r_tanfolyam/erositokpdf címen a 0-5 oldalon talál bővebb leírást témaköröz tartozó ismeretek gyakorlati alkalmazásáoz szükség az alábbi készségek fejlesztése: ŐSÍTŐ ÁMKÖÖK, JLLMZŐK Írott szakmai szöveg megértése témaköröz tartozó ismeretek gyakorlati alkalmazásáoz szükség az alábbi személyes (Sze), társas (Tá), módszer (Mó) kompetenciák fejlesztéséez: - Mennyiségérzék, - Tömör fogalmazás készsége, - Logikus gondolkodás, - Áttentő képesség, - endszerező képesség, - smeretek elyén való alkalmazása, - Numerikus gondolkodás, matematikai készség, - Módszeres munkavégzés, - Gyakorlatias feladatértelmezés, - Körültentés, elővigyázatosság, - Figyelem-összpontosítás, - Figyelemmegosztás Javasolt tanulói tevéken
