MiniElektrikář 10. - Zesilovače

1. Zesilovače

Zesilovače jsou elektronické obvodové systémy, které se používají k zesílení slabých elektronických signálů. Při zesilování se zvětšuje pouze amplituda signálu, tvar a frekvence zůstávají nezměněny. Zesilovač je aktivní nelineární čtyřpól, tvořeny zesilovacím prvkem (tranzistor, IO) a pomocnými obvody, které slouží k nastavení a stabilizaci pracovního bodu.

2. Zpětná vazba
Zpětná vazba (také zpětnovazební smyčka) je termín pro situaci (mechanismus, elektronický obvod), kdy výstup nějakého systému ovlivňuje zpětně jeho vstup. Nejčastěji se tento pojem používá v kybernetice, elektroakustice, průmyslové regulaci, automatizaci ale i v technice obecně, dále v biologii, ekonomii, ekologii, systémové dynamice a dalších oborech. Norbert Wiener, považovaný za zakladatele kybernetiky, přirovnával zpětnovazební smyčku ke slepecké holi, která dává slepci zpětnou informaci o jeho pohybu a ovlivňuje tak jeho pohyb následující.

Podle efektu, jaký má zpětnovazební smyčka na změnu výchozího stavu, hovoříme o kladné zpětné vazbě nebo o záporné zpětné vazbě.

Princip zpětné vazby je znám už od pradávna. První patent týkající se zpětné vazby ale byl zaregistrován až v roce 1932, kdy Harold Stephen Black patentoval zesilovač s pevným zesílením. V dvacátých letech 20. století byl totiž problém s tím, že zesílení bylo silně závislé na frekvenci zesilovaného signálu. Tuto vadu odstranil Blackův zesilovač použitím zpětné vazby. Proslýchá se, že myšlenka zpětné vazby ho napadla při sobotní ranní procházce na mostě přes řeku Hudson (1927).

3. Kladná zpětná vazba
Pokud zvýšení hodnoty, přiváděné z výstupu na vstup, způsobí další zvýšení hodnoty na výstupu, jedná se o kladnou zpětnou vazbu. Pokud je navíc výsledné zesílení celého cyklu větší než 1, může výstupní hodnota systému nekontrolovatelně růst. Obvykle tento růst samozřejmě narazí na omezení daná charakterem systému, v němž vazba probíhá.
Kladná zpětná vazba se obvykle využívá k zesílení nebo k akceleraci žádoucích jevů.
Matematicky je přenos kladné zpětné vazby popsán následujícími rovnicemi.

4. záporná zpětná vazba

Pokud zvýšení hodnoty, přiváděné z výstupu na vstup, způsobí snížení hodnoty na výstupu, jedná se o zápornou zpětnou vazbu. Tento druh vazby se využívá v regulační technice pro udržení stálých parametrů systémů, neboť v případě výskytu výchylky od ustáleného stavu dokáže zpětná vazba působit proti této výchylce a potlačit ji.
V přenosu se oproti kladné zpětné vazbě pouze změní znaménko ve jmenovateli.

5. Rozdělení zesilovačů:
a) podle frekvence zesilovaných signálů

• stejnosměrné – kmitočet f = 0 Hz - přenášejí odporovou vazbou stejnosm. signál
• nízkofrekvenční – zesilují frekvence od 20 Hz do 20 kHz (pásmo slyšitelnosti)
• středofrekvenční – od 20 kHz do jednotek MHz
• vysokofrekvenční – nejčastěji k zesílení modulovaných signálů
• mikrovlnné – zesilují kmitočty GHz 

b) podle velikosti vstupního signálu

• předzesilovače – zesilují signály malé úrovně (anténní zesilovače)
• výkonové zesilovače – vyžadujeme velké výkonové zesílení 

c) podle šířky přenášeného pásma

• úzkopásmové – šířka přenášeného fr.pásma je malá vzhledem ke střední frekvenci
• širokopásmové – vzhledem ke stř.frekvenci zesilují velmi široké pásmo

 d) podle pracovních tříd

• třída A – malé zkreslení, určeny pro všeobecné využití, celou periodu zesiluje jeden prvek (tranzistor)
• třída B – použití v dvojčinném zapojení, kde každý zesilovací prvek zesiluje jednu polovinu periody signálu
• třída C – použití ve vysokofrekvenční technice – tranzistor zesiluje méně něž jednu polovinu periody signálu
• třída AB - tranzistor zesiluje více než jednu polovinu periody signálu ale méně než celou periodu, výhodou je odstranění přechodového zkreslení

e) podle druhu vazby mezi stupni

• se stejnosměrnou vazbou
• s vazbou s RC členy
• s transformátorovou vazbou

f) podle použitého zesilovacího prvku

• elektronkové, tranzistorové, integrované

g) v případě použití tranzistoru jako zesilovacího prvku

• se společným editorem SE, společným kolektorem SC, společnou bází SB

6. Základní parametry zesilovače:stupní odpor (RVST) – tvoří zátěž pro předcházející obvod, měl by být pro zesilovače co největší, aby předcházející obvod nebyl zesilovačem zatěžován
Výstupní odpor (RVÝST) – určuje závislost výst. napětí na velikosti zátěže, měl by být co nejmenší, aby se výst. Napětí při zatížení neměnilo
Mezní kmitočet – nejmenší nebo největší kmitočet, na kterém může zesilovač ještě zesilovat
Šířka přenášeného pásma – rozdíl mezi horním a dolním mezním kmitočtem

Účinnost zesilovače – poměr středního výstupního výkonu odebíraného ze zesilovače k výkonu, který zesilovač odebere ze ss napájecího zdroje

Zkreslení signálu – odlišnost průběhu výstupního signálu od vstupního

• tvarové – výstupní napětí se lisí tvarem od vstupního napětí
• útlumové – zesílení na sledovaném kmitočtu je jiné než na kmitočtech středních
• fázové – mění se fázový posun mezi vstupním a výst. napětím v závislosti na kmitočtu 

7. Pracovní třídy zesilovačů:
Třída A:- klidový pracovní bod nastaven uprostřed výstupních charakteristik
- proud prochází tranzistorem po celou dobu periody, úhel otevření ψ = 2π (360°)
- použití v předzesilovačích, zpracovávají malé signály
- malé zkreslení, nízká účinnost (50%), vyšší odběr ze zdroje, když nezesiluje
Třída B:
- pracovní bod nastaven prakticky do oblasti zániku kolektorového proudu
- proud prochází tranzistorem podobu jedné periody (ψ = π) – zpracovává pouze jednu půlvlnu vst.signálu (proto se zesilovače konstruují jako dvojčinné, tzn. dva zesilovače)
- větší zkreslení, které lze však zmenšit použitím dvojčinných variant, velká účinnost 75%
- použití v koncových výkonových stupních
Třída C:- vhodným předpětím je tranzistor uzavřen po většinu periody vstupního signálu, v okamžicích, kdy součet vstupního napětí a záporného předpětí přesáhne nulovou hodnotu, se tranzistor otevře a propouští proudový impuls
- vysoká účinnost (70%), vysoké zkreslení 
- použití ve vf obvodech, kde je jako zátěž rezonanční obvod
Třída AB:
- pracovní bod leží v blízkosti zániku kolektorového proudu (ohyb charakteristiky)
- tranzistorem prochází malý klidový proud, úhel otevření je π = ψ = 2π
Třída AA:- výstupní zesilovač pracuje ve třídě A a je napájen zdrojem malého napětí, který je plovoucí a je posouván zesilovačem pracujícím ve třídě B
Třída D:
- vstupní napětí zesilovače je impulsově modulováno a dále jsou zpracovávány impulsy zesilovačem třídy C, tím je zaručena vysoká účinnost zesilovače
- na výstupu se zesílené impulsy převedou dolní propustí zpět na analogový nf signál
Třída G:- oddělené zpracovávání slabých a silných signálů (pro většinu slabých signálů stačí slabý zdroj, výkonový zdroj je dimenzován pouze na krátkodobé špičky signálu)
Třída H:
- má automatické řízení velikosti napětí napájecího zdroje v závislosti na velikosti požadovaného výstupního napětí
- komplikují obvodové řešení zesilovače, nízká rychlost reakce na rychlé změny – přechodová zkreslení (stejně tak i zesilovače třídy G)

8. Příklady použití

Korekční zesilovačePomocí přídavných obvodů mají upravenou frekvenční charakteristiku tak, že dochází ke zvýraznění či potlačení zesílení v některých místech přenášeného pásma a to zejména na okrajích. V praxi se jedná o různé filtry, popř. tónové clony používané v zesilovačích pro elektroniku.

Selektivní zesilovače
Zesilují pouze v požadovaném kmitočtovém pásmu, signály mimo toto pásmo musí být zesíleny co nejméně. Zesilují signály a provádějí jejich výběr (selekci). Jsou podstatné vlastnosti selektivního obvodu S, který tvoří vazbu mezi oběma částmi zesilovači. Tento obvod musí mít takový tvar kmitočtové charakteristiky, aby splňoval dané vlastnosti. Pásmovou propustí se realizují rezonanční obvody jednoduché nebo vázané vytvářené obvody LC, piezoelektrickými rezonátory, s magnetostrikčními rezonátory.

9. Vazby mezi stupni

Jedná se o způsob propojení jednotlivých stupňů mezi sebou. Vazba je tvořena vazebními prvky, jejichž úkolem je přizpůsobit výstup zesilovacího stupně s velkým odporem vstupu následujícího stupně s malým odporem.

Odporová (přímá) vazba- použití u ss zesilovačů
- přenos signálů ve velmi širokém frekvenčním pásmu
- výkonové zesílení větší než u kapacitní vazby
- vzájemné ovlivňování pracovních bodů tranzistorů (přenášení změn ze stupně na stupeň)
- každý následující stupeň je připojen na vyšší ss napětí než předcházející stupeň – potřeba velkého napájecího napětí
- zesilování malých ss signálů nebo signálů s velmi malou frekvencí

Kapacitní vazba- používá se nejčastěji, použití ve stř. zesilovačích, zabraňuje průchodu ss signálu
- změny se nepřenáší ze stupně na stupeň – potlačuje chyby vyvolané vnějšími okolnostmi
- vazební kondenzátory oddělují ss napětí výst. obvodu od vstupního obvodu druhého stupně
- vazební kondenzátor omezuje přenos nízkých frekvencí (zvětšuje se kap.reaktance) – musíme použít velkou kapacitu

Transformátorová vazba- provádí galvanické oddělení, zabraňuje průchodu stejnosměrn. zesilovaného signálu a umožňuje přizpůsobení vst a výst impedancí
- TR2 přizpůsobuje vstup násled. stupně výstupu předch. stupně
- převod vazebních traf bývá 1:3, počet závitů do 12 000
- nevýhodou jsou velké rozměry, váha, cena

10. Oscilátory

Oscilátor je systém, ve kterém se vzájemně přeměňuje jedna forma energie v jinou a zpět, jeho projevem je opakovaná výchylka nějaké veličiny do krajních hodnot, minimálních i maximálních. Fyzikálních kmitajících systémů, oscilátorů, lze sestavit mnoho.
Pokud se výchylky pravidelně opakují, hovoříme o periodických kmitech. Pokud je vazba systému lineární, kmity jsou harmonické. Vzhledem k tomu, že přírodě se lineární nebo téměř lineární vazba vyskytuje velmi často, je kmitání velmi obvyklým jevem.

11. Princip oscilátoru

Ke vzniku kmitu je zapotřebí akumulace energie, a proto musí být v obvodech generátoru reaktance. Po připojení zdroje se oscilační obvod rozkmitá tlumenými kmity. Abychom udrželi kmity, je třeba nahradit tepelné ztráty vzniklé na odporech v obvodu energií z napájecího zdroje. Zjednodušeně to lze formulovat tak, že si představíme spínač, který ve správných intervalech opakovaně připojuje zdroj tak, aby zůstala amplituda neměnná. Tuto funkci plní v obvodu zesilovač s nelineární zpětnou vazbou.

Při praktické realizaci je důležité, aby se generátor po zapnutí sám rozkmital. To lze nejlépe vysvětlit pomocí kladné zpětné vazby. Nepatrný šum se zesilovačem zesíli a přivede zpětnou vazbou zpět na vstup. Znovu se zesílí a amplituda signálu rychle narůstá až do limitace zesilovače. Aby byl výstupní signál harmonický, musí zasáhnout automatická regulace zmenšení zesílení dřív, než dojde k přebuzení.