Zosilňovač

Zosilňovač je elektronické zariadenie, v ktorom vstupný signál relatívne malého výkonu riadi prenos podstatne väčšej energie z napájacieho zdroja do záťaže. Ako regulačný prvok sa tu používa vhodná elektronická aktívna súčiastka – dnes najčastejšie tranzistor.

Keďže výkon je súčin dvoch obvodových veličín, napätia a prúdu, v praxi sa najčastejšie riadenie energie zo zdroja do záťaže vstupným signálom malého výkonu realizuje tak, že najprv sa zosilňuje napäťová zložka vstupného signálu a až v poslednej časti zosilňovacieho reťazca sa zosilní aj jeho prúdová zložka. V podstate ide o to, že zosilnenou napäťovou zložkou vstupného signálu sa riadi veľkosť prúdu dodávaného z napájacieho zdroja do vonkajšej záťaže. Teda výstupný (zosilnený) signál je funkciou vstupného (zosilňovaného) signálu.

Každý zosilňovač musí mať dve vstupné svorky a dve výstupné svorky a preto ho môžeme zaradiť medzi štvorpóly, respektíve medzi dvojbrány. Zosilňovač ako taký sa dnes používa skoro v každom elektronickom zariadení, ktoré sa používa v rádiotechnike, meracej a riadiacej technike, v automatizácii a v priemyselnej elektronike.

Základné Pojmy:

1.Elektrický signál: sú obvodové veličiny (napätie, prúd), ktoré vo svojom časovom priebehu obsahujú (prenášajú) určitú informáciu. 
Takouto informáciou môže byť napr. hovorené slovo, hudba, dvojkový – binárny kód v číslicovej technike a pod.

2.Budiaci zdroj: je to obvod, z ktorého výstupných svoriek vstupuje elektrický signál do vstupných svoriek zosilňovača. 
Budiacim zdrojom môže byť napr. mikrofón, magnetofónová hlava, fotoelektrický snímač a pod.

3.Vonkajšia Záťaž Z_v: je to obvod, do ktorého z výstupných svoriek zosilňovača vstupuje signál na vyhodnotenie alebo iné spracovanie. 
Vonkajšou záťažou môže byť napr. reproduktor, slúchadlá, žiarovka, LED, relé a pod.

Z_v – predstavuje pre zosilňovač zaťažovaciu impedanciu. Treba ju odlíšiť od výstupnej impedancie Z_výst, ktorá je súčasťou vlastného zapojenia zosilňovača a určuje jeho pracovný režim. Budiaci zdroj a vonkajšia záťaž ovplyvňujú vlastnosti zosilňovača a preto pri jeho návrhu treba brať do úvahy aj ich vlastnosti.

-Znázornenie vstupnej, výstupnej a zaťažovacej impedancie zosilňovača

Základné rozdelenie:

1.Podľa druhu pracovných režimov:

1.Zosilňovače veľkých signálov

U zosilňovačov veľkých signálov sa značne menia napätia a prúdy zosilňovacej súčiastky. Úlohou týchto zosilňovačov je dodať do záťaže signál s veľkým výkonom. Pracovný bod svojou polohou často zasahuje aj do nelineárnych častí VA charakteristík zosilňovacích súčiastok. Napriek tomu sa od týchto zosilňovačov okrem výkonu požaduje veľká účinnosť a minimálne skreslenie. Návrh takýchto zosilňovačov sa najčastejšie realizuje graficko-výpočtovou metódou využívajúcou VA charakteristiky koncových výkonových zosilňovacích súčiastok. Tieto zosilňovače sa často nazývajú výkonové alebo koncové zosilňovače.

2.Zosilňovače malých signálov

Zosilňovače malých signálov pracujú len s malým rozkmitom pracovného bodu okolo jeho kľudovej polohy. Pracovný bod sa vždy pohybuje len v lineárnej časti prevodovej charakteristiky zosilňujúcej súčiastky a preto vlastnosti zosilňovača môžeme vyhovujúcou presnosťou popísať lineárnymi rovnicami štvorpólových parametrov zosilňujúcich súčiastok. Od týchto zosilňovačov sa obvykle vyžaduje dostatočné napäťové zosilnenie, vhodná vstupná a výstupná impedancia, malé skreslenie signálu a veľká dynamika rozkmitu amplitúdy. Tieto zosilňovače sa často nazývajú predzosilňovacie stupne.

3.Zosilňovače veľmi malých signálov

Na zosilňovače veľmi malých signálov sa kladú prísne požiadavky hlavne z hľadiska šumových vlastností a tiež stability kľudového pracovného bodu. Použitie nachádzajú hlavne v stupňoch vysokofrekvenčných zosilňovačov, ale aj napr. nízkofrekvenčných mikrofónových zosilňovačov.

2. Podľa druhu budiaceho signálu:

1.Nízkofrekvenčné (nf)- Nízkofrekvenčné zosilňovače sú používané na zosilňovanie striedavých signálov, najmä akustických signálov, teda na zosilnenie reči a hudby.

2.Vysokofrekvenčné (vf)-Vysokofrekvenčné zosilňovače slúžia na zosilňovanie signálov v oblasti rádiových vĺn – rozhlas, televízia, teda bezdrôtový prenos správ.

3.Jednosmerné-Jednosmerné zosilňovače sa používajú na zosilnenie jednosmerných, ale aj striedavých signálov. Najbežnejšie sa používajú v meracích, počítačových a regulačných obvodoch.

4.Impulzové-Impulzové zosilňovače sa používajú na zosilňovanie rádiolokačných alebo televíznych signálov.

3.Podľa pracovného bodu:

1.Zosilňovače triedy A: Trieda A je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu P_o v strede lineárnej časti prevodovej charakteristiky, takže prúd tečie kolektorom tranzistora (anódou elektrónky) počas celej periódy vstupného signálu.

Zosilnenie = Najväčšie

Skreslenie = Najnižšie

Účinnosť = Malá (pre sínusový signál max. 25 %)

Použitie = Nízkofrekvenčné zosilňovače a vysokofrekvenčné predzosilňovacie stupne

Prevodová charakteristika pracovnej triedy A

2.Zosilňovače triedy B: Je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu P_o do miesta zániku kolektorového prúdu a kolektorom tranzistora (anódou elektrónky) tečie prúd počas celej polperiódy vstupného signálu.

Zosilnenie = Stredné

Skreslenie = Veľké

Účinnosť = Najväčšia (teoreticky 50 %). Prakticky sa trieda B v zapojení s jedným tranzistorom nepoužíva. Používa sa v tzv. dvojčinnom zapojení (účinnosť teoreticky 78 %)

Použitie = V koncových výkonových stupňoch NF zosilňovačov

Prevodová charakteristika pracovnej triedy B

3.Zosilňovače triedy C: Je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu P_o za miesto zániku kolektorového prúdu, takže kolektorom tranzistora (anódou elektrónky) tečie prúd v kratšom čase ako je polperióda vstupného signálu.

Zosilnenie = Najmenššie

Skreslenie = Najväčšie

Účinnosť = Stredná

Použitie = Vysokofrekvenčné zmiešavače, nasobiče kmitočtu a koncové stupne vf vysielačov

Prevodová charakteristika pracovnej triedy C

Ďaľšie rozdelenie:

-Trieda AB: Ktorú charakterizuje väčšia účinnosť (v porovnaní s triedou A). Za všetko môže jednoduchý posun pracovného bodu oboch tranzistorov tak, aby viedli aj v oblasti minimálnych amplitúd. V praxi to znamená aktivitu oboch tranzistorov aj v prípade malých signálov (trieda A). Pri väčších amplitudách je jeden z tranzistorov po časť periódy úplne uzavretý

-Trieda D: Zosilňovačetriedy D pracujú v pulznom režime podobne ako spínané napájacie zdroje – veľmi rýchlo (s kmitočtom mnohonásobne vyšším ako je maximálne prenášaný kmitočet) prepínajú výstup medzi maximálnym a nulovým napätím. Bežný reproduktor nestačí sledovať rýchle zmeny, takže okamžitá výchylka membrány závisí od pomeru doby vypnutia a doby zapnutia. Zvyčajne sa nespolieha na vlastnosti reproduktora, ale je použitá dolná priepusť, ktorá zložky s vysokými frekvenciami odfiltruje. Spínaný signál pre koncový stupeň sa získa pomocou pulzne šírkovej modulácie alebo delta modulácie. Hlavnou výhodou celej konštrukcie je účinnosť, ktorá často presiahne aj 90%, pretože výstupné tranzistory sú počas svojej činnosti buď úplne zopnuté, alebo úplne nevodivé. Týmto spôsobom sa vylúči situácia, kedy tranzistor vedie čiastočne, kedy pri pomerne veľkom prúde na ňom vzniká veľký úbytok napätia, takže sa veľké množstvo energie musí premeniť na teplo. Moderné zosilňovače triedy D poskytujú rovnako vernú reprodukciu ako zosilňovače triedy AB.

-Trieda G: Sa veľmi podobá zosilňovacím štruktúram triedy AB, snáď len s tým rozdielom, že s radosťou využije dve alebo i viac napájacích hladín. Ak potrebujeme spracovať malé signálové úrovne, zosilňovač zvolí nižšie napájanie. Ak porastú amplitúdy, pomôže si celá štruktúra vyššou hladinou napájacieho napätia. Zosilňovače triedy G tak môžu v porovnaní s triedou AB mať väčšiu účinnosť, pretože maximálna veľkosť napájacieho napätia využijú len v prípade skutočnej potreby, zatiaľ čo zosilňovače triedy AB pobeží z plného napájania neustále.

-Trieda H: Zosilňovače triedy H regulujú svoje napájacie napätie s cieľom minimalizovať napäťové úbytky na koncovom stupni. Praktické prevedenie potom zahŕňa väčší počet diskrétnych úrovní, alebo dokonca plynule nastaviteľnú veľkosť napájacieho napätia. Hoci sa na prvý pohľad môže veľmi podobať spôsobu, ktorým znižuje výkonové straty trieda G, nebudeme v prípade triedy H nutne vyžadovať viac napájacích zdrojov. Tento prístup je pri všeobecnom porovnaní s inými návrhmi komplexnejší, pretože vyžaduje špeciálne štruktúry, ktoré zabezpečia predvídateľnosť zmien aj následné riadenie napájania.