JEDNOSMERNÉ  ZOSILŇOVAČE


  Jednosmerné zosilňovače sú také zosilňovače, ktorých prenos nie je rovný nule pri nulovej frekvencii vstupného signálu, teda f = 0 Hz. Tieto zosilňovače sa používajú v rôznych zapojeniach pre automatizačnú techniku, v stabilizátoroch napätia a prúdu, pri zosilňovaní rôznych fyzikálnych veličín prevedených na napätie alebo prúd ( tlak, teplota, svetelný tok, vodivosť a pod.), ktoré sa vyznačujú veľmi pomalými zmenami svojej veľkosti. Charakteristickou vlastnosťou týchto veličín je ich veľmi nízka frekvencia, ktorá môže byť 1 až 0,01 Hz. Ide teda o veľmi pomaly sa meniace veličiny, ktoré možno zjednodušene považovať za nemenné a ak sú premenené na elektrické napätie, môžeme ich považovať za jednosmerné. Takéto signály môžu prechádzať cez zosilňovač iba pri priamej jednosmernej ( galvanickej ) väzbe stupňov zosilňovača, zdroja signálu a záťaže. Jednosmerný zosilňovač s takouto väzbou má však aj niekoľko špecifických vlastností, ktoré komplikujú tak jeho zapojenie, ako aj využitie. Jednosmerná väzba dobre prenáša skokové zmeny potenciálu a pomalé zmeny prúdu, ale komplikuje nastavenie pracovného režimu zosilňovacích prvkov a tým vyvoláva nestabilitu zosilňovača.

  Jedným z problémov, s ktorým sa často stretávame v jednosmerných zosilňovačoch, je výskyt jednosmerného potenciálu ( napätia ) na vstupe, ale aj na výstupe zosilňovača. Ďalším vážnym problémom je to, že ak sa zmení z voľajakej príčiny hodnota niektorej obvodovej veličiny zosilňovacej súčiastky ( napríklad teplom ), vplyvom jednosmernej väzby sa táto zmena dostane zosilnená na výstupné svorky zosilňovača. Tieto zmeny sú potom nerozoznateľné od zmien, ktoré sú vyvolané pôsobením užitočného signálu na vstupe zosilňovača.

  Zmeny výstupného napätia, nevyvolané vstupným užitočným signálom, ale podmienené vnútornými procesmi v zosilňovači, nazývame kolísanie nuly zosilňovača, alebo drift nuly zosilňovača. Rozlišujeme absolútny drift na výstupe zosilňovača a relatívny ( prevedený ) drift, t.j. drift prevedený na vstup zosilňovača. Prevedený drift sa rovná podielu absolútneho driftu ku zosilneniu:

Hodnota prevedeného vstupného driftu limituje minimálny vstupný užitočný signál, t.j. určuje citlivosť zosilňovača.

  Ďalšie nepriaznivé vlastnosti vyskytujúce sa v jednosmerných zosilňovačoch si objasníme za pomoci nasledujúceho obrázka.
Jednosmerne viazaný zosilňovač

  Ide o kaskádne radený ( za sebou, z kolektora predchádzajúceho na bázu nasledujúceho stupňa ) dvojstupňový jednosmerne viazaný zosilňovač. V takto riešených zosilňovačoch vplyvom potrebných kľudových napätí na prechodoch K-E u zosilňovacích súčiastok T1 ( UKE1 ) a T2 ( UKE2 ) sa posúvajú jednosmerné statické hodnoty napätí UK1 a UK2 ( UK1 < UK2 ) stále rovnakým smerom. To je potrebné zohľadniť pri návrhu zosilňovača a prispôsobiť tomu veľkosť napájacieho napätia UCC.

  Všimnime si obvod na obrázku a urobme rozbor vzájomných vzťahov medzi obvodovými veličinami, ako aj medzi prvkami, ku ktorým tieto obvodové veličiny patria. Vychádzajme z toho, že IK1 = IK2.
Pre napätie UK1 platí:

UK1 = UKE1 + URE1 = UBE2 + URE2 = UKE1 + IK1.RE1 = UBE2+ IK2.RE2

Keďže UKE1> UBE2 musí byť:
URE1 < URE2
teda:
RE1 < RE2
Ak má platiť, že UK1 < UK2 a zároveň platí, že IK1 = IK2, potom :
RK1 > RK2

  Z predchádzajúcich statí vieme, že zosilnenie zosilňovača s jedným tranzistorom vieme približne vypočítať zo vzťahu:

Ak dosadíme za RK a RE hodnoty príslušných rezistorov v obvode tranzistora T1 alebo T2, dostaneme na základe hore uvedených výsledkov nášho rozboru, že:
Au1 > Au2
teda zosilnenie nasledujúceho stupňa je vždy menšie ako zosilnenie predchádzajúceho stupňa.

  Pri takto riešenom jednosmernom zosilňovači, ktorý má N jednotranzistorových stupňov, by vyvstal problém nie len s posunom jednosmerných úrovní napätí UKN na kolektoroch tranzistorov, ale aj s napäťovým zosilnením AU jednotlivých stupňov. Toto napäťové zosilnenie posledných stupňov môže byť omnoho menšie ako 1, čo môže mať za následok, že napäťové zosilnenie AU celého zosilňovača bude menšie ako 1, pretože:

Au = Au1.Au2.....AuN

  Riešiť tieto hore spomínané problémy je možné rôznymi spôsobmi. Jedným zo spôsobov je posun jednosmernej úrovne na báze nasledujúceho stupňa pomocou Zenerovej diódy, alebo kombinovaním tranzistorov s opačnou vodivosťou, teda NPN a PNP, v za sebou nasledujúcich stupňoch. Oba spôsoby sú na obrázkoch.
Posun jednosmernej úrovne zenerovou diódou   Zosilňovač s tranzistormi NPN-PNP
Posun jednosmernej úrovne Zenerovou diódou.   Jednosmerný zosilňovač NPN-PNP.

  Tieto zapojenia riešia problém spojený so zosilnením Au celého jednosmerného zosilňovača, no neriešia problém spojený s driftom nuly zosilňovača. Problém zosilnenia Au a driftu nuly rieši zapojenie jednosmerného zosilňovača v mostíkovom ( diferenciálnom ) zapojení.


MOSTÍKOVÉ ZAPOJENIE JEDNOSMERNÝCH ZOSILŇOVAČOV



       Ide o jednosmerne viazaný zosilňovač s väzbou cez emitory jednotlivých tranzistorov ( nie z kolektora predchádzajúceho do bázy nasledujúceho stupňa, ako to bolo v hore uvedených zapojeniach ). Vstupný signál sa privádza medzi bázy oboch tranzistorov, výstupné napätie sa odoberá z kolektorov tranzistorov. Schéma je elektricky symetrická. V jednej diagonále je napájacie napätie Ucc, v druhej výstupné napätie Uo.

Mostíkové zapojenie zosilňovača

Za predpokladu, že :   ß1 = ß2   ß ... je prúdový zosilňovací činiteľ
R'B1 = R'B2
R''B1 = R''B2
RK1 = RK2
potom musí platiť : IK1 = IK2
IE1 = IE2
IE = IE1 + IE2
Prípadné odchýlky sa korigujú rezistorom Ro.
Jeho hodnota má byť:
Ro = ( 0,01 ÷ 0,05 ).RE
  Ak na vstup neprivedieme budiaci signál, výstupné napätie U0 = 0V. Na emitorovom rezistore vzniká napätie:
URE = ( IE1 + IE2 ).RE
Je to napätie zápornej spätnej väzby, ktorá sa uplatňuje iba pre jednosmerné obvodové veličiny. Tým je zabezpečená stabilita pracovných bodov oboch tranzistorov ( napríklad pri zmene napájacieho napätia ).

  Ak privedieme na vstup striedavý signál, vplyvom rovnakých zosilňovacích činiteľov ß1 = ß2 sú zmeny prúdov iE1 a iE2 rovnako veľké, ale opačne orientované ( čo je podmienené opačnou polaritou na bázach tranzistorov T1 a T2 ), takže:

iE1 = - iE2 Ţ iE1 + iE2 = 0
čo znamená, že emitorovým rezistorom RE nepreteká žiaden premenlivý prúd vyvolaný vstupným signálom, pretože o koľko sa tranzistor T1 otvorí o toľko sa tranzistor T2 uzatvorí.

  Ako dvojstupňový zosilňovač s jednosmernou väzbou môžeme uviesť aj Darlingtonové zapojenie tranzistorov ( zložený tranzistor ). Charakteristickou vlastnosťou tohto zapojenia je vysoký zosilňovací činiteľ daný vzťahom: Darlingtonové zapojenie tranzistorov
ß = ß12 + ß1 + ß2
a veľký vstupný odpor:
Rvst = h111 + ( 1 + h211 ).h112
Poznámka :  - tretie číslice v indexoch určujú poradie tranzistorov

  Ďalší príklad zapojenia jednosmerne viazaného zosilňovača s veľmi dobrými vlastnosťami z hľadiska zisku a stability driftu je operačný zosilňovač - OZ .


!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu