Усилители тока: Усилители постоянного тока: схемы, принцип действия, формулы

Усилители постоянного тока: схемы, принцип действия, формулы

Пример HTML-страницы

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может использоваться и для усиления переменных сигналов.

Выше рассмотрены операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее устройство операционных усилителей не рассматривалось.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Для того чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные.

Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов.

После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя являются:

  • изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окружающей среды;
  • изменение питающих напряжений;
  • постоянное изменение параметров активных и пассивных элементов схемы, вызванное их старением.

Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля.

Основными мерами снижения дрейфа являются:

  • жесткая стабилизация источников питания усилителей;
  • использование отрицательных обратных связей;
  • применение балансных компенсационных схем УПТ;
  • использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры для компенсации температурного дрейфа;
  • применение УПТ с промежуточным преобразованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является также согласование потенциалов соседних каскадов, согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подключение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении, напряжение на нагрузке было также равно нулю.

Поэтому простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

Таким образом, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 2.35.

Коллекторные сопротивления RK1 и RK2, транзисторы Т1 и Т2, резистор Rэ образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания ЕK, а в другую диагональ — между коллекторами транзисторов — включается нагрузка.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы (RK1 = RК2, T1 и Т2 одинаковы) потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы и uвых, равное u К1—uК2, равно нулю.

Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при изменении напряжения источника питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов (например, за счет температуры) потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения и, следовательно, выходное напряжение остается равным нулю.

В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и значительно меньше, чем в других схемах.

Входной сигнал в этой схеме может подаваться либо между базами, либо на одну из баз при фиксированном потенциале другой.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Представив Rэ в виде двух параллельно соединенных сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на рис. 2.35), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ представляет собой два каскада с эмиттерной стабилизацией, объединенных соответствующим образом (см. вертикальные разделительные линии).

Включив последовательно с Rэ дополнительный источник Еэ, можно обеспечить такой начальный режим работы транзисторов, при котором потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возможно убрать из схемы сопротивления делителей R1, R2, R3, R4. В результате получится схема дифференциального усилителя.

9.5. Усилители постоянного тока

Усилители
постоянного тока предназначены для
усиления сигналов, изменяющихся с
низкой частотой (близкой к 0). К таким
сигналам относятся аналоговые величины,
то есть непрерывно изменяющиеся
напряжение или ток.

Усилители
постоянного тока отличаются от схем
усилителей других типов. В таких
усилителях используется только активная
нагрузка, использование индуктивных
нагрузок исключено. Применение
конденсаторов в цепях межкаскадных
связей исключено. Таким образом, в
усилителях постоянного тока используются
непосредственные связи, а также
многокаскадное усиление.

Рассмотрим
усилитель прямого усиления, изображённый
на рис.9.13. Усилитель состоит из трёх
каскадов усиления. Каждый каскад собран
по схеме с общим эмиттером и его работа
в принципе не отличается от работы
усилителей низкой частоты.

Рис.9.13.
Усилитель постоянного тока

В связи
с использованием высокого потенциала
коллектора предыдущего каскада для
базы следующего каскада в эмиттэрных
цепях ставятся гасящие

сопротивления с отрицательной обратной
связью по току. Эти обратные связи
уменьшают дрейф нуля усилителя (изменеие
выходного напряжения без изменения
входного напряжения). Дрейф вызывается
изменением питающего напряжения,
температуры окружающей среды и т. д. Для
борьбы с дрейфом стабилизируют питающее
напряжение.На рис.9.14 приведены статические
характеристики работы первого каскада
усилителя. Зона покоя (точка b)
нагрузочной характеристики, а также
точка b’
входной характеристики определяется
делителем

на участке база – эмиттер первого
каскада.

Рис.9.14.
Статические характеристики работы
первого каскада усилителя постоянного
тока

9.6. Импульсные усилители

Импульсному
(ключевому) режиму работы транзистора
соответствуют два состояния: транзистор
или закрыт или полностью открыт. В этом
режиме транзисторы используют как
бесконтактные переключающиеся устройства.

Рассмотрим
работу схемы, приведённой на рис.9.15.
Временные зависимости входного и
выходного напряжений усилителя изображены
на рис.9.16. В интервалах времени

и т.д., когда

,
переход эмиттер – база заперт и ток
коллектора

.
Следовательно, напряжение на коллекторе
равно напряжению источника питания

,
транзистор закрыт. Когда на вход
транзистора подают отрицательные
импульсы (интервалы времени

),
переход эмиттер – база открывается и
по коллекторной цепи проходит ток
насыщения

,
при этом напряжение на коллекоре

,
транзистор полностью открыт.

Рис.9.15. Схема
импульсного усилителя на биполярном
транзисторе

Рис.9.16.
Временные зависимости входного и
выходного напряжений усилителя

9.7. Операционные усилители

Операционные
усилители выполнены на интегральных
микросхемах и применяются как усилители
постоянного тока для работы в режиме
усиления и выполнения математических
операций над аналоговыми или медленно
изменяющимися величинами (сложение,
вычитание, дифференцирование,
интегрирование, логарифмирование и
т.д.).

Условное
изображение операционного усилителя
приведено на рис. 9.17, в котором знаком
(–) обозначен инвертирующий вход, а
знаком (+) неинвертирующий вход. Питание
операционного усилителя осуществляется
от двух источников с положительной и
отрицательной ЭДС. На рис.9.18 приведены
характеристики вход — выход усилителей
с инвертирующим и неинвертирующим
входами. Входное напряжение насыщения
незначительно

.

Рис.9.17.
Условное изображение операционного
усилителя

Рис.9.18.
Характеристики вход — выход операционных
усилителей с инвертирующим и неинвертирующим
входами

В схемах
операционных усилителей используется
отрицательная обратная связь по
напряжению. Рассмотрим примеры
использования схем операционных
усилителей с элементами цепи обратной
связи

.

На
рис.9.19 приведена схема масштабного
инвертирующего усилителя, у которого
элементы обратной связи равны активным
сопротивлениям

.

Рис. 9.19.
Схема масштабного инвертирующего
усилителя

Используя
первый и второй законы Кирхгофа для
входного и выходного контуров усилителя,
направления обхода которых указаны, а
также считая, что у операционных
усилителей

,
имеем

Тогда,
после преобразований, следует, что

,
то есть выходное напряжение масштабного
усилителя

равно входному напряжению

,
помноженному на масштабный множитель
с отрицательным знаком. Коэффициент
усиления усилителя по напряжению

.
(9.10)

На
рис.9.20 изображена схема суммирующего
усилителя (сумматора).

Рис.9.20.
Схема суммирующего усилителя (сумматора)

Сумматор
– это операционный усилитель с несколькими
входами, у которого

,

,

,

,

,
тогда, умножив значения всех токов на

,
получим:

.
(9.11)

В
этом случае усилитель выполняет операцию
сложения входных напряжений со своими
масштабными коэффициентами. Если все
входные сопротивления равны

,
то

.

На
рис.9.21 приведена схема интегрирующего
усилителя (интегратора), у которого в
цепи обратной связи использован
конденсатор.

Рис.9.21.
Схема интегрирующего усилителя
(интегратора)

Изобразив
сопротивление обратной связи в
комплексном виде

,
а входное сопротивление

,
можно представить выходное напряжение
в виде временной зависимости

.
Перейдем к операторной форме записи,
что соответствует замене

на оператор Лапласа p
. Тогда изображение входной и выходной
величины по Лапласу выразится зависимостью

,
что соответствует интегрированию
оригинала, то есть:

,
(9. 12)

где

—
масштабный коэффициент.

На
рис.9.22 изображена схема дифференцирующего
усилителя, у которого на входе усилителя
установлен конденсатор.

Рис.9.22.
Схема дифференцирующего усилителя

Входное
сопротивление конденсатора

в комплексном виде

,
а сопротивление обратной связи

.

Выходное
напряжение можно представить в комплексном
виде временной зависимостью

.
Перейдем к операторной форме записи,
что соответствует замене
на оператор Лапласа p
. Тогда изображение входной и выходной
величины по Лапласу выразится зависимостью

,
что соответствует взятию производной
от её оригинала, то есть:

.
(9.13)

где

—
масштабный коэффициент.

Объяснение разницы между усилителем напряжения и усилителем тока

Основное различие между усилителем напряжения и усилителем тока заключается в том, что усилитель напряжения усиливает напряжение, тогда как усилитель тока усиливает ток. Другими словами, мы можем сказать, что усилитель напряжения обеспечивает более высокий коэффициент усиления по напряжению, тогда как усилитель тока обеспечивает более высокий коэффициент усиления по току.

Давайте узнаем больше различий между усилителем тока и усилителем напряжения в подробном объяснении.

Вы сможете лучше понять разницу, если у вас есть четкое представление об усилении усилителя. Усиление — это в основном соотношение выхода и входа. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению представляет собой отношение выходного напряжения к входному напряжению. Точно так же коэффициент усиления по току представляет собой отношение выходного тока к входному току.

Таким образом, в усилителе тока высокий коэффициент усиления по току означает, что небольшое изменение входного тока вызовет большое изменение выходного тока. Кроме того, в выходной цепи будет протекать большой ток, когда во входной цепи будет протекать небольшой ток.

Аналогично, в усилителе напряжения высокий коэффициент усиления по напряжению означает, что небольшое изменение входного напряжения вызовет большое изменение выходного напряжения. Кроме того, на выходе будет создаваться большое напряжение, когда на вход подается небольшое напряжение. Усилители напряжения в основном состоят из полупроводниковых устройств с управлением напряжением, таких как полевые транзисторы или полевые транзисторы, тогда как усилители тока в основном состоят из полупроводниковых устройств с управлением по току, таких как биполярные переходные транзисторы или биполярные транзисторы.

См. также:  

Другие ключевые отличия:

1. Усилители напряжения имеют очень высокий импеданс, поэтому они пропускают малый ток. Как правило, усилители напряжения обеспечивают высокий коэффициент усиления по напряжению и единичный коэффициент усиления по току. С другой стороны, усилители тока имеют низкий импеданс, поэтому они пропускают большой ток. Таким образом, усилители тока обеспечивают высокий коэффициент усиления по току и единичный коэффициент усиления по напряжению.

См. также:  

2. Усилители напряжения имеют низкие потери мощности из-за их высокого импеданса и малого тока, с другой стороны, усилители тока имеют большие потери мощности из-за большого тока.

3. Усилители напряжения лучше всего подходят для усиления аудиосигнала и управления громкоговорителями, тогда как усилители тока лучше всего подходят для обработки сигналов, предварительного усиления, увеличения мощности преобразователя и т. д.

4. Как правило, выходное и входное напряжение почти равны для усилителя тока, но входной и выходной ток различаются. С другой стороны, входной и выходной ток усилителя напряжения почти равны, но входное и выходное напряжение различаются.

5. Из-за высокого импеданса в усилителях напряжения возникает емкостной эффект или эффект Миллера, а в усилителях тока емкостного эффекта больше не наблюдается.

6. Усилители тока очень чувствительны к изменениям входного тока, тогда как усилители напряжения очень чувствительны к изменениям напряжения.

7. Ток утечки в основном возникает в цепях усилителя напряжения из-за емкостного эффекта, но в усилителе тока ток утечки возникает в очень меньшей степени, чем нормальный ток.

8. Когда усилители напряжения используются с очень высокочастотными сигналами, возникает шум или нежелательные сигналы, но в случае усилителя тока это происходит в очень меньшей степени.

Читайте также:  

Благодарим за посещение сайта. продолжайте посещать для получения дополнительных обновлений.

Цепь повторителя тока: определение и основные положения

Схема буферного усилителя тока преобразует электрический импеданс перед его передачей в следующую существующую цепь. Таким образом, обеспечивается отсутствие загрузки предыдущего курса последующей схемой.

Имеет две классификации; буферы тока и идеальный буфер напряжения. Текущие буферы с единичным усилением B=1 становятся текущими последователями. Однако в сегодняшнем посте мы сосредоточимся на существующих колодках. Кроме того, мы коснемся усилителей тока и повторителей тока.

 

(буферы тока и напряжения)

Источник: https://en. wikipedia.org/wiki/File:Ideal_Buffers.svg  

 

Содержание

 

Токовый повторитель, говоря простым языком, представляет собой противоположность повторителю напряжения и использует два современных зеркала и обычный операционный усилитель.

Текущий буфер с единичным усилением (B=1) называется недавним повторителем или текущим буфером с единичным усилением. Другими словами, выходной ток следует за входным током или тянет его так, что входные сигналы не усиливаются. Следовательно, выходной ток также не увеличивается.

Они также являются изолирующими буферами, поскольку они изолируют выходные и входные клеммы, поддерживая при этом постоянный входной и выходной ток.

 

Введение в усилитель тока

 

Схема усилителя тока использует фиксированный коэффициент для увеличения входного сигнала тока перед его передачей в последующую электрическую цепь. Обычно мы называем этот процесс текущим усилением входного сигнала.

Буферы напряжения и усилители тока часто имеют некоторые сходства, но отличаются в незначительном аспекте токовых нагрузок. Следовательно, вы обнаружите, что буфер напряжения поддерживает одинаковое выходное и входное напряжение, обеспечивая при этом любой требуемый ток нагрузки.

И наоборот, усилитель тока пропускает только фиксированный ток, кратный входному току, на последующую ступень. Это также гарантирует, что составляющая напряжения питания входного сигнала остается неизменной.

Затем вы можете реализовать усилитель тока на транзисторах. Кроме того, вы можете иметь вход в виде изменяющейся во времени волны или в виде постоянного сигнала.

 

Коэффициент усиления усилителя тока

 

Коэффициент усиления в любой электронике означает рейтинг способности усилителя к усилению. При использовании усилителя тока усиление увеличивается за счет увеличения скорости тока выходного сигнала при учете входного сигнала. Это происходит из-за единственного изменения входного сигнала усилителем тока.

В расчете;

     Усиление = величина тока, протекающего через выходные клеммы, по отношению к величине тока входных сигналов.

Поэтому;

Усиление может быть как отрицательным, так и положительным значением. Отрицательное значение означает, что выходной сигнал находится в состоянии обратного входного сигнала. Кроме того, это может быть копия входного сигнала.

 

Характеристики идеального усилителя тока

 

Идеальный усилитель тока должен иметь следующие характеристики, которые помогут в его конструкции. Они включают;

  • Во-первых, входное сопротивление усилителя = 0.
  • Тогда выходное сопротивление = бесконечно.
  • Кроме того, усиление усилителей тока не должно зависеть от условий окружающей среды, таких как влажность и температура.
  • Наконец, усилители тока имеют коэффициент усиления = постоянный во всем диапазоне входного сигнала.

Несмотря на то, что достичь рекомендуемого импеданса практически невозможно, вы все же можете использовать значения в качестве справочного руководства.

 

Принципиальная схема

 

Принципиальная схема усилителя тока

 

Из приведенных выше элементов схемы мы можем понять;

  • Прежде всего, фотодиод поглощает световую энергию, а затем испускает электроны. Электроны являются источником входного тока.
  • Затем транзистор Q1 выполняет первое усиление тока, тогда как Q2 дополнительно усиливает его.
  • Затем резисторы на базе двух транзисторов точно настраивают коэффициент усиления по току. Количество раз усиления сигнала равно количеству каскадов усилителя. Таким образом, наш проект представляет собой двухкаскадный усилитель тока, поскольку мы выполняем два усиления.

Теперь воспользуемся приведенной ниже формулой для расчета выходного тока и окончательного коэффициента усиления по току.

 

 

Применение

 

Усилители тока применяются в самых разных областях, таких как;

  • В промышленных производственных системах, таких как станки для гидроабразивной резки и лазеры,
  • Сенсорные системы и
  • В системах аудиоусилителей.

 (аудиоусилители)

 

 

Знакомство с текущим буфером

Цепь буфера тока передает электрические токи из цепи с низким входным сопротивлением в цепь с высоким входным сопротивлением. Часто текущий буфер является посредником между двумя цепями, чтобы избежать загрузки первой цепи. Кроме того, вы можете использовать транзисторы, такие как MOSFET и BJT, для реализации буфера тока.

 

 (транзистор)

 

Цепь повторителя тока — Практическое использование существующего буфера 

 

Наш практический пример — схема, управляющая роботом с помощью датчика LDR. Двигатели робота потребляют непостоянный ток, поэтому он зависит от нагрузки двигателя/шероховатости или наклона поверхности.

Таким образом, если вы используете усилитель тока для прямого соединения двигателей и датчиков температуры, приводы двигателей могут потреблять больше тока. Текущий процент не только влияет на точность датчика, но также изменяет напряжение на двигателях и скорость робота.

Буферы тока предотвращают обратный ток, обеспечивая необходимый ток для двигателей. Кроме того, он обеспечивает неизменную точность датчика и поддерживает постоянное напряжение на клеммах двигателя.

 

Текущий повторитель

 

Как мы уже обсуждали, мы называем текущий буфер с единичным усилением (B=1) недавним повторителем или текущим буфером с единичным усилением.

 

Принципиальная схема

 

Цепь буфера тока

 

Принципиальная схема допускает высокий импеданс на выходной клемме и низкий импеданс на входной клемме. Следовательно, он может быть текущим буфером.

 

Цепь повторителя тока — Приложения

 

Вы можете использовать текущие буферы в;

  • Высокоточные сенсорные системы,
  • Электроприводные системы,
  • Моторные приводы и
  • Цифровые логические элементы.

 

Преимущества схемы повторителя тока

 

  • Во-первых, она имеет высокую пропускную способность.
  • Кроме того, схема работает стабильно.
  • Его входной импеданс низкий/нулевой, в то время как выходной импеданс/единичный коэффициент усиления по току бесконечен, поэтому он идеально подходит для применения. Низкий импеданс обусловлен отрицательной обратной связью.

 

Как спроектировать схему повторителя тока

 

Когда вы заинтересованы в разработке схемы повторителя тока, вы должны иметь это в виду;

  1. Во-первых, используйте операционный усилитель и PNP-транзистор для заземления нагрузки. Вы можете использовать схему ниже для лучшего понимания, и транзистор здесь является активным элементом.

 

Принципиальная схема с операционным усилителем и транзистором PNP для повторителя тока

 

R1 работает как резистор датчика тока. Следовательно, операционный усилитель работает со своим входом на шину питания положительного напряжения.

  1. Кроме того, вы можете следовать за током преобразователя напряжения с напряжением преобразователя валюты. Это означает, что вам придется выбирать тип преобразователя в каждом месте для некоторых ограничений.

Например, однополярность, биполярность, минимальный ток, плавающие токи и т. д. 

  1. В наиболее ограниченных условиях с однополярными токами можно использовать зеркальный ток. Здесь ток преобразователя напряжения соединяет транзистор, резистор и диод, а дополнительные транзисторы также могут обеспечить лучшее выходное сопротивление.
    Усилители тока: Усилители постоянного тока: схемы, принцип действия, формулы