Praktická elektronika/Zesilovače

Zesilovač je obvykle obvod s dvěma vstupy a dvěma výstupy, tzv. dvojbran. Jeho účelem je na výstupu podávat větší signál (tj. napětí či proud), než je na vstupu.

Určujeme u nich zejména vlastnosti:

Zesílení - poměr vstupu a výstupu
Maximální výkon, který dovedou na výstupu podávat, případně také maximální napětí a proud.
Vstupní impedanci - odpor, který kladou na vstupu (obvykle čím větší, tím lepší)
Výstupní impedanci - vnitřní odpor na výstupu (naopak: čím menší, tím lepší) (viz také impedanční přizpůsobení)
Šířka pásma - některé zesilovače zesilují široký rozsah frekvencí (osciloskopech, televizích, rádiích), některé jsou úzce specializované na jediný kmitočet a ostatní se v nich ztrácí (viz Spektrum signálu)

Zesilovač pro kytaru je několikastupňový, nízkofrekvenční, výkonový, má malou výstupní impedanci. Lze ladit zesílení (i pro jednotlivé frekvence).

Zesilovače jde podle frekvence rozdělit na:

Stejnosměrné pro jen pomalu proměnný signál
Nízkofrekvenční pro frekvence 50 Hz až 20 kHz (slyšitelné)
Vysokofrekvenční pro frekvence vyšší (rádio vysílačky i přijímače), od desítek kHz do stovek GHz

Některé zesilovače mají další funkce:

rozdílové (diferenciální) zesilují rozdíl
směšovací sčítají oba vstupy apod.

Třída

Některé zesilovače pracují pro kladnou i zápornou půlvlnu signálu, některé ne (oboje má své pro a proti). Proto se dělí do několika tříd:

Třída A

Zesilovač pracuje v kladné i záporné půlvlně. 3 nejjednodušší zapojení (se společným emitorem, se společnou bází a se společným kolektorem) jsou uvedena v kapitole o bipolárních tranzistorech, lze je ale realizovat také s unipolárními tranzistory či elektronkami.

Kvůli trvalému proudu má malou účinnost, proto jej využijeme hlavně (nebo jako předzesilovač u vícestupňových zesilovačů).

Třída B

Zesilovač pracuje jen v jedné půlvlně. Obvykle se proto zapojují dva vedle sebe a v kladné a záporné půlvlně se doplňují. Mají větší účinnost, obvykle ale i mírné zkreslení. proto se zesilovač používá, sice více než třída A, přesto ale málo.

Třída C

Zesilovač pracuje, jen když signál překročí určitou úroveň. Má velké zkreslení a ještě vyšší účinnost, proto se nepoužívá pro zesilování zvuku, ale zejména ve vysílačkách. Zkreslení (tj. vyšší harmonické ve spektru se odstraní pomocí high-pass filtru.

Třída D, E a jiné

Zpětná vazba

Je snadné vytvořit zesilovač, který bude zesilovat mnohem vícekrát, než po něm chceme. Naopak je těžké jej zapojit tak, aby nezkresloval signál a aby šlo zesílení nastavit na předem určenou hodnotu. Abychom toho dosáhli, přičteme část výstupního signálu ke vstupnímu a tím vytvoříme tzv. zpětnou vazbu.

Zpětná vazba může být různých typů, rozlišujeme hlavně kladnou a zápornou. U zesilovačů použijeme zápornou což vyžaduje, aby zesilovač invertoval signál.

To, že napětí na výstupu zesilovače má opačnou polaritu než na vstupu, obvykle není na závadu. Signál invertuje řada zesilovačů sama od sebe (třeba tranzistor se společným emitorem).

Když k zesilovači se zápornou zpětnou vazbou připojíme malé napětí, začne klesat napětí na výstupu, dokud se jeho vliv na vsupu nevyrovná se vstupním signálem. Čím je zpětná vazba silnější, tím menší zesílení získáme.

Příklady zapojení

Ve třech následujících zapojeních přidáme k tranzistoru několik rezistorů a kondenzátorů, aby obvod sloužil jako napěťový a/nebo proudový zesilovač.

Tato zapojení slouží jako zesilovač střídavého signálu, čímž se rozumí střídavé napětí či proud. To znamená, že:

Musíme počítat s tím, že bude kladný i záporný. U tranzistoru je proto potřeba nastavit tzv. pracovní bod, tedy stav, kdy jím protéká malý stejnosměrný proud. Signál se pak přičítá či odčítá.
K oddělení stejnosměrného proudu a signálu můžeme použít kondenzátor.Ten se totiž pro stejnosměrný proud chová jako rozpojený čili tento proud jím neprojde na rozdíl od střídavého signálu, který jím může procházet.

Protože v těchto obvodech protéká proud, i když je signál nulový, označujeme je jako zesilovače třídy A. Hojně se využívají k zesilování zvuku, v rádiích, vysílačkách, televizích atd. Více najdete v kapitole o zesilovačích.

Zesilovač se společným emitorem

Toto zapojení má velké proudové i napěťové zesílení. Používá se nejčastěji.

Nejdříve nastavíme tzv. pracovní bod tranzistoru. To obnáší přidat několik rezistorů:

R₁ aby protékal malý proud rezistorem do báze
(volitelně R₂ kvůli lepší stabilitě obvodu, avšak tuto funkci může alespon částečně plnit i R₄)
R₃ aby na kolektoru byla zhruba polovina napětí zdroje
(případně R₄, aby kladl odpor vstupnímu signálu a vytvořil tak zápornou zpětnou vazbu)

Nyní protéká malý bázový proud a na βkrát větší kolektorový proud. Když na vstup připojíme signál:

Signál prochází skrz C₁ a chce projít bází na zem. Přitom se přičítá k malému bázovému proudu, který teče trvale skrz R₁.
Při zvětšení signálu tekoucího skrz bázi tranzistor propustí větší proud na kolektoru. Vzroste úbytek napětí na R₃, poklesne napětí na výstupu.
Tím se zvětší napětí na R₄ a poklesne napětí na výstupu. Vzrůst napětí na R₄ ale brání bázovému proudu - takto je vytvořena zpětná vazba, která způsobí, že výsledné napěťové zesílení je poměr R₃/R₄.

Protože výstupní signál odebíráme za odporem, je převrácený oproti vstupu. Třeba u zvuku to vůbec nevadí.

Napěťový zesilovač se společnou bází

Všechen proud výstupního signálu je tvořen proudem vstupního signálu. Toto zapojení tedy zesiluje jen napětí. Lze je použít i pro vysoké frekvence (~200 MHz).

Proudový zesilovač se společným kolektorem

Vstupní signál zde v klidovém stavu musí procházet rezistorem R₃. To ale znamená, že na výstupu musí být napětí o trochu menší než na vstupu! Pokud na výstupu odebíráme proud, sníží se na něm napětí, umožní to větší průtok bázového proudu a ten okamžitě zvýší průtok kolektorového proudu. Tím se pokles napětí hned vyrovná. V tomto zapojení se nezesílí napětí, ale jen proud.

Napětí na výstupu zesilovače (emitoru) sleduje napětí na vstupu (bázi). Proto se zapojení se společným kolektorem často označuje jako emitorový sledovač. Tento zesilovač je řízen jen velmi malým proudem (který zesiluje).

Integrované zesilovače

Klidové polohy pracovního bodu

Průsečík na Voltampérové charakteristice. Podle polohy klidového pracovního bodu dělíme zesilovače zesilovače do tříd A,B,C.

Nastavení klidového pracovního bodu ve třídě A:

1. Určit polaritu napájecího zdroje.
2. Vybrat správnou velikost napětí UCE
3. Nastavit proud báze IB pomocí napětí UBE

Teplotní stabilizace pracovního bodu

Činnost bipolárního tranzistoru, vlastní vodivost polovodiče a poloha pracovního bodu jsou značně závislé na teplotě. Zvýšením vlastní vodivosti polovodiče se zvyšuje teplota a pracovní bod se posouvá. Tranzistor tedy musíme zapojit tak, aby při zvyšování teploty zůstaly proudy stejné a neposouval se pracovní bod.

Stabilizace zatěžovacím odporem Rc

Po připojení vstupního budícho signálu představuje kondenzátor C1 zkrat pro střádavou složku proudu - zabraňuje záporné zpětné vazbě napěťové.

Stabilizace zatěžovacím odporem RE

Po připojení vstupního budícího signálu představuje kondenzátor CE zkrat pro střídavou složku proudu - zabraňuje záporné zpětné vazbě proudové.

Po připojení vstupního zdroje se vstupní signál sčítá nebo odečítá (v závislosti na polaritě) s klidovým napětím napájecího zdroje a proudem báze. Je-li polarita U1 kladná zvyšuje se UBE, IB, IC a URC. Napětí UCE se snižuje. Při záporné polaritě budou všechny hodnoty opačné.